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Title: Neddylation-dependent protein degradation is a nexus between the metabolic syndrome, synaptic insulin resistance and Alzheimer's Disease
Author(s): Confettura, Alessandro Dario
Referee(s): Gundelfinger, Eckart D.
Granting Institution: Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Naturwissenschaften
Issue Date: 2019
Extent: 123 Seiten
Type: Doctoral Thesis
Exam Date: 2019
Language: English
URN: urn:nbn:de:gbv:ma9:1-1981185920-326403
Subjects: Neurologie
Abstract: The metabolic syndrome (MetS) is a “lifestyle disease” characterized by heterogeneous factors comprising overweight, high blood pressure, lipid metabolism’s disorder and insulin resistance (IR). Neurons are insulin sensitive cells, where the hormone normally plays fundamental roles ranging from glucose uptake to cell survival and synaptic plasticity. Prolonged exposure to insulin as well as neuroinflammation drive neurons to IR via down regulation of the activity of the Insulin Receptor Substrates (IRS), a protein family that organizes the cytosolic insulin signaling. Disruption of the insulin signal in the brain, especially in the hippocampus, has been extensively linked to cognitive impairments. Moreover, it is well established that IR and MetS have a functional link with amyloid-β deposition: this is believed to be a major risk factor for sporadic Alzheimer's disease (AD). This thesis tried to elucidate the topology of synaptic insulin signaling pathways in the hippocampus in order to understand the molecular basis of IR. Inactivation of IRSs can occur via an abnormal phosphorylation or via protein degradation. In the first part of the thesis, we developed an in vitro model for synaptic IR that we could use to understand the basis of IR in neurons and generate hypotheses about the molecular mechanism. The results indicated that exposure to high concentration of insulin and the pro-inflammatory cytokine TNFα efficiently induces synaptic IR in cultured neurons. However, insulin and TNFα seem to have dual effects: neuroinflammation promotes synaptic IR via alteration of IRS phosphorylation, while prolonged exposure to insulin causes IRSs degradation. The combination of the two detrimental effects worsens neuronal IR, enhancing the down-regulation of the insulin pathway. Interestingly, we found that NEDD8 and the neddylation cascade may carry out a crucial role in the degradation of IRSs. NEDD8 is a small molecule, analogous to Ubiquitin, which is conjugated to target proteins via a similar enzymatic cascade. Most established target proteins of neddylation are ubiquitous proteins belonging to the family of cullins. Once neddylated, cullins act as E3-ubiquitin ligase, which ubiquitinate proteins leading to their proteasomal degradation. In the second part of the thesis we developed a mouse model for a high-risk population with the combination of genetically driven amyloid-β deposition and high fat diet (HFD)- induced MetS. These mice, called TBA2.1, express in the brain pyro-glutamylated Aβ3(pE)-42, a post-translational-modified species of amyloid-β, known to be highly neurotoxic and inducing efficiently TNFα release from astroglia. This allowed us to study the combinatory effects of MetS and neuroinflammation also in vivo. We found that Aβ3(pE)-42-expressing animals, fed with an HFD undergo synaptic plasticity and memory impairments. This is also accompanied by protein degradation of neuronal IRSs and astroglia activation in CA1 hippocampal region. Lastly, we sought whether inhibition of neddylation counteracts synaptic IR also in vivo. Although preliminary, the data showed that a pharmacological intervention that selectively blocks neddylation improves insulin sensitivity in neurons, ameliorating synaptic plasticity and memory performances.
Das Metabolische Syndrom (MetS) ist eine Lebensstil-Erkrankung charakterisiert durch folgende heterogene Faktoren: Übergewicht, Bluthochdruck, eine Störung im Lipidstoffwechsel und Insulinresistenz (IR). In Neuronen als insulinsensitive Zellen spielt das Hormon eine fundamentale Rolle bei der Glukoseaufnahme, für das Überleben der Zellen und bei der synaptischen Plastizität. Eine anhaltende Exposition mit Insulin sowie neuroinflammatorische Prozesse führen zu einer Herabregulation von Insulin-Rezeptor- Substraten (IRS). Die IRS gehören zu einer Proteinfamilie, welche die Insulin- Signalkaskade steuern. Nachgewiesen ist, dass eine Störung bzw. Unterbrechung des Insulin-Signalweges im Gehirn, insbesondere im Hippocampus, zu ausgeprägten kognitiven Beeinträchtigungen führt. Des Weiteren ist bekannt, dass IR und MetS im Zusammenhang mit der Ablagerung von β-Amyloid-Peptiden stehen – einer der Hauptrisikofaktoren für das Auftreten einer Alzheimer Erkrankung (AD). Die vorliegende Arbeit beleuchtet die Topologie synaptischer Insulin-Signalwege im Hippocampus, um die molekularen Grundlagen dieser Prozesse genauer zu verstehen. Die Inaktivierung der IRS kann durch eine abnormale Phosphorylierung oder durch Proteinabbau geschehen. Ein im ersten Abschnitt der Arbeit entwickeltes in vitro Modell für synaptische IR liefert die Grundlage zum Verständnis von IR in Neuronen. Zusätzlich werden damit neue Hypothesen über deren molekulare Mechanismen aufgestellt. Vorliegende Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine lange Exposition mit hohen Konzentrationen an Insulin und pro-inflammatorischem TNFα synaptische IR in Neuronen-Kulturen auslöst. Allerdings scheinen Insulin und TNFα zweierlei Effekte zu haben: (I) Neuroinflammatorische Prozesse fördern die Ausprägung einer synaptischen IR über eine veränderte IRS-Phosphorylierung, während (II) eine verlängerte Exposition mit Insulin zu einer Reduktion von IRS führt. Die Kombination beider negativer Effekte verschlechtert die neuronale IR und verstärkt gleichzeitig die Herabregulation des Insulin-Signalweges. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass bemerkenswerterweise die Neddylierung von Proteinen mit NEDD8 eine entscheidende Rolle für den Funktionsverlust von IRS spielt. Analog zu Ubiquitin ist NEDD8 ein kleines Molekül, welches über eine ähnliche Enzymkaskade mit entsprechenden Zielproteinen konjugiert ist. Bekannteste Zielproteine der Neddylierung sind ubiquitäre, zur Familie der Culline gehörende Proteine. Nach erfolgter Neddylierung agieren Culline als E3-Ubiquitin- Ligasen, ubiquitinieren Proteine und führen zu einem Proteasom-abhängigen Abbau. Im zweiten Abschnitt der Arbeit wurde ein Maus-Modell für besonders gefährdete Personengruppen mit folgender Faktorenkombination entwickelt: (I) genetisch bedingtes Risiko der Amyloid-β-Ablagerung und (II) MetS, induziert durch fettreiche Ernährung (Hoch-Fett-Diät; HFD). Dieses Mausmodell (TBA2.1) exprimiert im Hirn pyroglutaminiertes Aβ3(pE)-42, eine post-translational modifizierte und in hohem Maße neurotoxische Variante von Amyloid-β, welche zudem effizient die Abgabe von TNFα aus Astroglia induziert. Dadurch konnten gleichzeitig Kombinationseffekte von MetS und neuroentzündlichen Prozessen in vivo untersucht werden. Aβ3(pE)-42-exprimierende mit fetthaltiger Kost ernährte Tiere zeigen gestörte synaptische Plastizität und eingeschränkte Gedächtnisfunktion. Begleitet wird dies von der Degradation von neuronalem IRS und Astroglia-Aktivierung in CA1-Regionen des Hippocampus. Zusätzliche stellte sich die Frage, ob auch in vivo eine Inhibition der Neddylierung synaptischer IR entgegenwirkt. Vorläufige Daten zeigen, dass eine pharmakologische Intervention, welche selektiv Neddylierung blockiert, die neuronale Insulinsensitivität, synaptische Plastizität und Gedächtnisleistungen verbessert.
URI: https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/32640
http://dx.doi.org/10.25673/32461
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