Molecular mechanisms underlying presenilin-dependent tau pathology in neurodegeneration

Abstract

La malaltia d’Alzheimer (MA), la major causa de demència mundial, es caracteritza per la pèrdua gradual de cognició, especialment de memòria, i per dèficits neuropsiquiàtrics i en el comportament. Les característiques neuropatològiques de la MA inclouen plaques formades per β-amiloide (βA), cabdells neurofibril·lars compostos per la proteïna tau hiperfosforilada, pèrdua neuronal, neuroinflamació i disfunció autofàgica, entre d’altres. Al contrari que la MA d’aparició tardana, la majoria dels casos de MA familiar són causats per mutacions autosòmiques dominants en els gens de presenilina (PS/PSEN: PS1 i PS2), la subunitat catalítica del complex γ-secretasa responsable de la generació de la βA. Notablement, mutacions a PS1 també estan lligades a la demència frontotemporal (DFT), caracteritzada per acumulació cerebral de tau agregada i fosforilada sense plaques amiloides. Tot i que els mecanismes pels quals les mutacions en PS afecten βA estan ben definits, el paper concret de PS/γ-secretasa en la patologia de tau independentment de βA durant la neurodegeneració és desconegut. La hipòtesi d’aquesta tesi doctoral és que, la pèrdua de funció de PS causada per les mutacions lligades a demència contribueix a la hiperfosforilació, agregació i/o propagació de tau mitjançant l’afectació de vies específiques de senyalització i autofàgia. L’objectiu d’aquest estudi era investigar el paper de les PS en la patologia de tau durant la neurodegeneració i disfunció sinàptica, i els mecanismes implicats. Per abordar aquest objectiu, he realitzat anàlisis proteics bioquímics i estructurals, incloent-hi microespectroscòpia infraroja de sincrotró, tècniques histològiques i de comportament en un nou model de ratolí condicional d’inactivació neuronal (cKO) de PS1 i PS (PS1/PS2) amb expressió de tau endògena o sobreexpressió del gen humà de tau amb una mutació lligada a DFT (P301S). Els nostres resultats mostren que, la pèrdua de funció de PS provoca una fosforilació de tau dependent de l’edat en l’escorça i l’hipocamp dels ratolins PS cDKO associada a l’increment de l’activació de p25/Cdk5, PKA/AMPK i Akt. Com a resultat de la inactivació neuronal de PS, la proteïna patològica Curiosament, tau s’acumula a les neurones excitatòries, astròcits, microglia i oligodendròcits. Interessantment, la inactivació de PS al ratolí transgènic de tau humana causa la fosforilació i agregació de tau anticipada i agreujada en circuits neuronals emocionals i de memòria lligats a la patologia de la MA, incloent l’escorça entorrinal i retroesplenial, l’hipocamp i l’amígdala, un fenotip associat als dèficits exacerbats de memòria i aprenentatge. Anàlisis bioquímics de sinaptosomes purificats a partir de cervells de ratolí i humà amb MA van revelar una acumulació sinàptica anormal de tau i una disminució de proteïnes sinàptiques i factors sinaptonucleares (ex. CRTC1) suggerint afectació de mecanismes pre i postsinàptics en cervells de ratolí i humans amb MA. Notablement, la pèrdua de funció de PS causa l’agregació anormal de neurofilament juntament amb un increment de proteïnes oligomèriques amb estructures làmina-β en els ratolins PS1 cKO;Tau i PS cDKO;Tau. A nivell molecular, he trobat que les PS són necessàries per a una correcta activitat de mTOR i del flux autofàgic mantenint la fusió autofagosoma-lisosoma i la degradació de tau. En canvi, la inactivació de PS1 o de PS al ratolí transgènic de tau humana incrementa marcadors autofàgics (LC3-II/I, p62...) i la proteïna tau agregada i fosforilada en els autofagosomes. En conjunt, aquests resultats aporten evidències que la pèrdua parcial de la funció de PS condueix a increments de tau agregada i hiperfosforilada, respostes inflamatòries i neurodegeneració, i que la disfunció sinàptica i de memòria causada pot estar mediada per tau sinàptica. Els nostres descobriments suggereixen que la fosforilació i agregació de tau són processos patològics clau subjacents a la neurodegeneració causada per les mutacions de PS lligades a la MA

La enfermedad de Alzheimer (EA), la mayor causa de demencia mundial, se caracteriza por la pérdida gradual de cognición, especialmente de memoria, y por déficits neuropsiquiátricos y de comportamiento. Las características neuropatológicas de EA incluyen placas formadas por β-amiloide (βA), ovillos neurofibrilares compuestos de proteína tau hiperfosforilada, pérdida neuronal, neuroinflamación y disfunción autofágica, entre otros. Al contrario que EA de aparición tardía, la mayoría de los casos de EA familiar son causados por mutaciones autosómicas dominantes en los genes de Presenilina (PS/PSEN: PS1 y PS2), la subunidad catalítica del complejo γ-secretasa responsable de la generación del βA. Notablemente, mutaciones en PS1 también están ligadas al desarrollo de demencia frontotemporal (DFT), caracterizada por acumulación cerebral de tau agregada y fosforilada sin placas amiloides. Aunque los mecanismos por los que las mutaciones en PS afectan a βA están bien definidos, el papel concreto de PS/γ-secretasa en la patología de tau, independientemente de βA, durante la neurodegeneración es desconocido. La hipótesis de esta tesis doctoral es que, la perdida de función de PS causada por las mutaciones ligadas a demencia contribuye a la hiperfosforilación, agregación y/o propagación de tau mediante la afectación de vías específicas de señalización y autofagia. El objetivo de este estudio era investigar el papel de las PS en la patología de tau durante la neurodegeneración y disfunción sináptica y los mecanismos implicados. Para abordar este objetivo, he realizado análisis proteicos bioquímicos y estructurales, incluyendo microespectroscopía infrarroja de sincrotrón, técnicas histológicas y de comportamiento en un nuevo modelo de ratón condicional de inactivación neuronal (cKO) de PS1 y PS (PS1/PS2) con expresión de tau endógena o sobreexpresión del gen humano de tau con mutación ligada a DFT (P301S). Nuestros resultados muestran que, la pérdida de función de PS provoca una fosforilación de tau dependiente de la edad en la corteza y el hipocampo de los ratones PS cDKO asociada al incremento de la activación de p25/Cdk5, PKA/AMPK y Akt. Como resultado de la inactivación neuronal de PS, tau se acumula en las neuronas excitatorias, astrocitos, microglía y oligodendrocitos. Interesantemente, la inactivación de PS en el ratón transgénico de tau humana causa la fosforilación y agregación de tau anticipada y agravada en circuitos neuronales emocionales y de memoria ligados a la patología de EA, incluyendo la corteza entorrinal y retroesplenial, el hipocampo y la amígdala, un fenotipo asociado a los déficits exacerbados de memoria y aprendizaje. Análisis bioquímicos de sinaptosomas purificados a partir de cerebros de ratón y humano revelaron una acumulación sináptica anormal de tau y una disminución de proteínas sinápticas y factores sinaptonucleares (ej. CRTC1) sugiriendo afectación de mecanismos pre y postsinápticos en cerebro de ratón y humano con EA. Notablemente, la pérdida de función de PS causa la agregación anormal de neurofilamento junto con un incremento de proteínas oligoméricas con estructuras lámina-β en los ratones PS1 cKO;Tau y PS cDKO;Tau. A nivel molecular, encontré que las PS son necesarias para una correcta actividad de mTOR y del flujo autofágico manteniendo la fusión autofagosomal-lisosomal y la degradación de tau. En cambio, la inactivación de PS1 o de PS en el ratón transgénico de tau humana incrementa marcadores autofágicos (LC3-II/I, p62…) y la proteína tau agregada y fosforilada en los autofagosomas. En conjunto, estos resultados aportan evidencias de que la pérdida parcial de la función de PS conduce a incrementos de tau agregada e hiperfosforilada, respuestas inflamatorias y neurodegeneración, y la disfunción sináptica y de memoria causada puede estar mediada por tau sináptica. Nuestros descubrimientos sugieren que la fosforilación y agregación de tau son procesos patológicos clave subyacentes a la neurodegeneración causada por las mutaciones de PS ligadas a EA.

Alzheimer’s disease (AD), the most common cause of dementia worldwide, is characterized by gradual loss of cognition, especially memory, and behavioral and neuropsychiatric impairments. Neuropathological features of AD include amyloid-β (Aβ)-containing plaques, neurofibrillary tangles (NFT) composed of hyperphosphorylated tau protein, neuronal loss, neuroinflammation and autophagic dysfunction, among others. In contrast to late-onset AD, most familial AD (FAD) cases are caused by dominantly inherited mutations in the Presenilin (PS/PSEN: PS1 and PS2) genes, the catalytic subunit of γ-secretase complex that is responsible for Aβ generation. Notably, mutations in PS1 are also linked to frontotemporal dementia (FTD) characterized by cerebral accumulation of aggregated phosphorylated tau but not amyloid plaques. Although the mechanisms by which PS mutations affect Aβ are well defined, the precise role of PS/γ-secretase on tau pathology independently of Aβ during neurodegeneration is largely unclear. The hypothesis of this doctoral thesis is that loss of PS function caused by dementia-linked mutations contributes to tau hyperphosphorylation, aggregation and/or spreading by affecting specific signaling and autophagy pathways. The objective of this study was to investigate the role of PS on tau pathology during synaptic dysfunction and neurodegeneration, and the mechanisms involved. To address this objective, I performed biochemical and structural protein analyses, including synchrotron infrared microspectroscopy, histological and behavioral approaches in novel neuronal-specific PS1 and double PS (PS1/PS2) conditional knockout (cKO) mice expressing either endogenous tau or overexpressing the FTD-linked (P301S) mutant human tau (Tau) gene. Our results show that loss of PS function results in age-dependent tau phosphorylation in the cortex and the hippocampus of PS cDKO mice associated with increased activation of p25/Cdk5, PKA/AMPK and Akt. As a result of neuronal PS inactivation, pathological phosphorylated tau accumulates in excitatory neurons, astrocytes, microglia, and oligodendrocytes. Interestingly, genetic inactivation of PS in human tau transgenic mice results in accelerated and enhanced tau phosphorylation and aggregation in memory and emotional neuronal circuits linked to AD pathology, including the entorhinal and restrosplenial cortices, hippocampus and amygdala, a phenotype associated to exacerbated memory and learning impairments. Biochemical analyses of purified synaptosomes from human AD and mouse transgenic brains also revealed abnormal synaptic accumulation of tau and decreased synaptic proteins and synaptonuclear factors (e.g., CRTC1) suggesting pre- and post-synaptic mechanisms impaired in brain of AD and AD mouse models. Remarkably, loss of PS function causes abnormally aggregated neurofilament protein together with increased aggregated and oligomeric β-sheet protein structures in PS1 cKO;Tau and PS cDKO;Tau mice. At the molecular level, I found that PS is required for correct mTOR activity and autophagic flux, maintaining autophagosome-lysosome fusion and tau degradation. Conversely, genetic inactivation of PS1 or both PS genes in human tau transgenic mice increases autophagic markers (LC3-II/I, p62…) and impairs and enhances phosphorylated and aggregated tau in autophagosomes. Taken together these results provide further evidence that partial loss of PS function leads to increased hyperphosphorylated and aggregated tau, inflammatory responses, and neurodegeneration, and that synapse dysfunction and memory deficits caused by PS inactivation suggest mediated by synaptic tau. Our findings could indicate that tau phosphorylation and aggregation are key pathological processes that may underlie neurodegeneration caused by familial AD-linked PS mutations.