The contribution of the PDK1/Akt signaling pathway to Alzheimer disease analyzed by knock-in mutation

Abstract

La Enfermedad de Alzheimer (EA) es la patología neurodegenerativa más común. El envejecimiento es el factor de riesgo no genético más relevante de la enfermedad, que va acompañado de cambios neurofisiológicos y anatómicos estereotípicos asociados a diferentes grados de deterioro cognitivo. La actividad de la quinasa PDK1 está incrementada en pacientes con EA; PDK1 induce la fosforilación y eliminación de la membrana plasmática de TACE, lo que influencia de forma significativa el curso de la enfermedad. La inhibición de PDK1 reduce los niveles de proteína beta amiloide (Aβ), recupera la actividad TACE y los niveles de proteína soluble APP, lo que se traduce en una mejora de los déficits de memoria en ratones modelo para EA. Lamentablemente, la inhibición de PDK1 provoca la muerte del animal tras 4 meses de tratamiento. PDK1 transmite las señales de la ruta de la PI3K en respuesta a factores de crecimiento y hormonas. PI3K produce el segundo mensajero PtdIns[3,4,5]P3. Akt, efector principal de esta vía, y PDK1 unen a este segundo mensajero a través de sus dominios PH, lo que posibilita la activación de Akt por fosforilación en la treonina 308 mediada por PDK1. Precisamente la activación de la vía PI3K/Akt por insulina/IGF1 está alterada en EA. La mutación de la lisina 465 a ácido glutámico inutiliza por completo el sitio de interacción de PDK1 con PtdIns[3,4,5]P3. Para analizar la importancia de esta interacción, se generaron ratones knock-in homocigotos PDK1K465E/K465E que expresan esta forma mutante de PDK1 K465E incapaz de interaccionar con PtdIns[3,4,5]P3. Los ratones mutantes son más pequeños que sus hermanos control de camada y no presentan fenotipos adversos. El ratón PDK1K465E/K465E es un modelo genuino en el que la activación de Akt está comprometida, pero no eliminada, y ha representado una útil herramienta genética para delimitar la contribución de Akt a las funciones de PDK1. Por el contrario, ratones que expresan una forma mutante de PDK1 incapaz de activar al resto de substratos de esta quinasa, pero con activación de Akt preservada, presentan fenotipos muy adversos. Teniendo esto en cuenta, se postula aquí que la inhibición de Akt podría ser protectora contra AD, mientras que la inhibición del resto de efectores de la vía sería responsable de la toxicidad resultante de la inhibición de PDK1. Se ha podido constatar que la fosforilación de Akt en la treonina 308, el sitio PDK1, está significativamente atenuada en el córtex y el hipocampo del ratón mutante PDK1K465E/K465E a lo largo de toda su vida. Como consecuencia, la localización en la membrana de TACE así como su actividad catalítica están potenciadas en el ratón mutante, lo que se traduce en un mayor procesamiento del TNFR1 que dota a las neuronas mutantes de una menor vulnerabilidad al TNFα. Además, en el ratón 3xTg-AD modelo de EA, la quinasa PERK y el factor de inicio de la traducción eIF2α, elementos centrales en el mecanismo de respuesta a proteína mal plegada, están sobreactivados. Por el contrario, en el ratón PDK1K465E/K465E, la activación de PERK y eIF2α asociada al envejecimiento está atenuada debido a la activación deficiente de Akt. Además, la activación de PERK/eIF2α causada por estrés reticular con tunicamicina o por proteína mal plegada como el Aβ está atenuada en las neuronas corticales del ratón PDK1K465E/K465E, lo que confiere a las células invulnerabilidad frente a estos insultos. Para concluir, este estudio demuestra como la inhibición parcial de Akt puede proteger a las neuronas frente a patología beta amiloide a través de una restricción de la respuesta a proteína mal plegada y una potenciación de la actividad TACE, y podría tener aplicabilidad singular en el tratamiento contra EA.

Alzheimer’s disease (AD) is one of the most common neurodegenerative diseases. Aging is the most important known nongentic risk factor for AD, which is accompanied by stereotypical structural and neurophysiological changes in the brain and different degrees of cognitive decline. The 3-Phosphoinositide-dependent protein kinase 1 (PDK1) activity is increased in human AD whole brains; PDK1 triggers the phosphorylation and membrane depletion of TNF converting enzyme (TACE), which significantly influence the course of AD. Pharmacological inhibition and genetic depletion of PDK1 not only reduce amyloid-beta (Aβ) levels but also restore TACE-mediated soluble APPα levels and memory deficits in mice models for AD, which suggests that PDK1 may be activated by Aβ in AD. Of note, side-effects caused the dead of the mice after four months of treatment. PDK1 acts downstream of phosphoinositide 3-kinase (PI3K)-mediated signaling, the binding of growth factors with their receptors cause the activation of PI3K, which phosphorylates the PtdIns[4,5]P2 membrane lipid to synthesize the PtdIns[3,4,5]P3 second messenger. Protein kinase B (PKB/Akt) and PDK1 bind to PtdIns[3,4,5]P3 at the plasma membrane through their PH (Plekstrin Homology) domains, where Akt is phosphorylated at its activating residue threonine (Thr) 308 by PDK1. However, activation of the PI3K/Akt signaling pathway in brain by insulin-like growth factor 1 receptor (IGF-1R) and insulin receptor (IR) is markedly disturbed In AD. Among the different positively-charged lateral chains conforming the PDK1 PtdIns[3,4,5]P3 binding pocket, mutating Lysine at position 465 to Glutamic acid abolishes the PDK1-phosphoinositide interaction by disrupting the conformation of this lipid-binding pocket. In order to analyse the importance of the PDK1-PtdIns[3,4,5]P3 interaction, homozygous PDK1K465E/K465E knock-in mice were generated, which express the PDK1 K465E mutant protein abrogating phosphoinositide binding resulting in an specific signalling lesion. Consequently, the mutant mice were shown to be smaller than control littermates, hyperinsulinemic and insulin resistant. These PDK1K465E/K465E mutant mice is a genuine model in which activation of Akt is only moderately reduced but not ablated, which has been proved instrumental in dissecting the contribution of Akt to PDK1 signalling. Taken the phenotypes of the PDK1 knock-in models, I postulate that inhibition of Akt might have protected mice against Alzheimer’s disease, whereas inhibition of the docking-site dependent PDK1 substrates might be responsible for the toxicity the treatments. In cortex and hippocampus, the phosphorylation of Akt at Thr308, the PDK1 site, was significantly reduced in the PDK1K465E/K465E mutant mice along the whole adulthood, since increased levels of BDNF synthesis compensate for the defects of the Akt signaling pathway. Importantly, TACE membrane localization, TACE activity and TNFR1 cleavage are increased in the PDK1K465E/K465E mutant mice, which render the mutant neurons resistant against TNFα-induced neurotoxicity, thereby providing strong evidence on the role of the Akt branch of the PDK1 signaling in regulating TACE trafficking and internalization. In the 3xTg-AD mice, the protein kinase RNA-like endoplasmic reticulum kinase (PERK) is hyperactivated and the eukaryotic initiation factor 2 (eIF2α) hyperphosphorylated. By contrast, in the PDK1K465E/K465E mice the age-induced phosphorylation of PERK and eIF2α is attenuated due to the deficient activation of Akt. Furthermore, in cultured primary neurons treated with tunicamycin or Aβ, the phosphorylation of PERK and eIF2α were reduced in the PDK1K465E/K465E cortical neurons compared to PDK1+/+ wild type, which protected cells from both tunycamicin and Aβ-induced neurotoxicity. In summary, this study show that reducing Akt activation can protect neurons against amyloid-beta induced-toxicity by restraining the reduction of TACE activity in the cell membrane and the increase of the unfolding protein response.