Contribution of the PI3K/PDK1/Akt signaling pathway to Alzheimer’s disease.

Abstract

La malaltia d’Alzheimer (MA) és la malaltia neurodegenerativa més comuna, caracteritzada per una pèrdua neuronal progressiva associada a plaques amiloides i embulls neurofibril·lars. Les cascades de senyalització cel·lular es consideren actualment una font de prometedores dianes terapèutiques per frenar la MA. La via de senyalització PI3K/PDK1/Akt està hiperactivada en el cervell dels pacients amb MA. Aquesta via té un paper important en la inhibició de l’activitat α-secretasa de TACE.

La inhibició de PDK1 redueix la patologia cerebral i el deteriorament de la memòria en models de ratolins amb MA, però també té efectes perjudicials ja que els animals moren després de 5 mesos de tractament. Resultats al laboratori ens permeten postular que la inhibició de l’efector de PDK1 Akt protegiria els ratolins contra la MA, mentre que la inhibició dels altres efectors de PDK1 (S6K, SGK, RSK i PKC) seria la responsable de la toxicitat. Els ratolins knock-in PDK1K465E/K465E amb una activació deficient d’Akt presenten una major activitat TACE i un elevat processament de TNFR1 i APP, que protegeix les neurones contra TNF-α i Aβ. La inhibició farmacològica d’Akt en cèl·lules del sistema immune accentua la fosforilació de NFκB, encara que la transcripció dels gens que codifiquen per TNF-α, IL-6 o IL-1β no resulta alterada.

Una altra conseqüència cel·lular deletèria de la MA és l’augment de l’estrès del reticle endoplasmàtic (RE) causat per pertorbacions en el plegament de proteïnes, que condueix a una inducció de la resposta a proteïnes mal plegades (UPR). La UPR representa un mecanisme d’adaptació i supervivència, que condueix a la reducció de la càrrega de proteïnes mal plegades i al restabliment de l’homeòstasi del plegament de proteïnes. Si aquests mecanismes no són suficients per recuperar l’homeòstasi, la UPR condueix a la mort cel·lular. L’estrès del RE pot interferir amb el tràfic normal no-amiloidogènic d’APP, lo que condueix a una major producció d’Aβ. L’augment de la producció de pèptids Aβ indueix una sobreactivació de la via de senyalització PI3K/Akt, que també podria contribuir a activar la UPR, agreujant així la producció de Aβ i la deposició de plaques amiloides. La reducció dels nivells d’activació d’Akt en els ratolins knock-in PDK1K465E/K465E protegeix les neurones dels animals contra la toxicitat mediada per l’estrès reticular, suggerint que Akt podria contribuir a la MA induint la UPR. Aquest fet es recolza en la hiperactivació d’Akt i de la UPR observada ratolins mutants APP/Tau models de la MA. La tunicamicina, inhibidor del primer pas en la biosíntesi de N-glicans en proteïnes, causa estrès del RE i redueix la viabilitat cel·lular activant la UPR tant en cèl·lules HEK293T com en Neuro2A. Aquesta pèrdua de viabilitat cel·lular induïda per tunicamicina disminueix la densitat i altera la morfologia cel·lular sense induir la mort, ja que consisteix en una aturada reversible del cicle cel·lular.

La inhibició d’Akt a través del compost MK2206 restaura el fenotip de les cèl·lules tractades amb tunicamicina atenuant la UPR i revertint l’aturada del cicle cel·lular. La inhibició dels altres efectors de PDK1 (S6K, SGK o RSK) no protegeix front a la tunicamicina, ja que no afecta la UPR. La inhibició d’Akt tampoc protegeix de la toxicitat causada per la tunicamicina a cèl·lules diferenciades i neurones primàries amb nivells d’activitat d’Akt reduïda. A més, la inhibició de la quinasa major de la UPR, PERK, pot mitigar les conseqüències de l'estrès reticular atenuant la UPR, protegint les cèl·lules contra la toxicitat de la tunicamicina sense afectar els nivells d'activació d'Akt.

Aquests resultats suggereixen que Akt contribueix a la disrupció de l'homeòstasi proteica, per la qual cosa la seva inhibició parcial podria ser un bon enfocament terapèutic per minvar la pèrdua neuronal que succeeix als cervells amb MA.

La enfermedad de Alzheimer (EA) es la enfermedad neurodegenerativa más común, caracterizada por la pérdida neuronal progresiva asociada a placas amiloides y ovillos neurofibrilares. Las cascadas de señalización celular se consideran una fuente de dianas terapéuticas para frenar la progresión de la EA. La vía de señalización PI3K/PDK1/Akt está hiperactivada en cerebro con EA. Esta vía desempeña un papel importante en la inhibición de la actividad α-secretasa de TACE.

La inhibición de PDK1 reduce la patología cerebral y el deterioro de la memoria en modelos de ratones con EA, pero los animales mueren tras 5 meses de tratamiento. Resultados obtenidos en el laboratorio permiten postular que la inhibición del efector de PDK1 Akt protegería a los ratones frente la EA, mientras que la inhibición de los demás efectores de PDK1 (S6K, SGK, RSK y PKC) sería la responsable de la toxicidad. Los ratones knock-in PDK1K465E/K465E con deficiente activación de Akt presentan una mayor actividad TACE y un elevado procesamiento de TNFR1 y APPα, que protege a las neuronas frente TNF-α y Aβ. La inhibición farmacológica de Akt en células del sistema inmune acentúa la fosforilación de NFκB, sin alterar la transcripción de los genes que codifican para TNF-α, IL-6 o IL-1β. Otra consecuencia deletérea de la EA es el aumento del estrés del retículo endoplasmático (RE) causado por perturbaciones en el plegamiento de proteínas, que induce la respuesta a proteínas mal plegadas (UPR). La UPR representa un proceso de adaptación y supervivencia, que conduce a la reducción de la carga de proteínas mal plegadas y al restablecimiento de la homeostasis del plegamiento proteico. Si estos mecanismos no son suficientes para recuperar la homeostasis, la UPR induce la muerte celular. El estrés del RE puede interferir con el procesamiento normal no-amiloidogénico de APP, conduciendo a una mayor producción de Aβ. Este incremento en la carga de Aβ induce una sobreactivación de la vía de señalización PI3K/Akt, que también podría contribuir a activar la UPR, exacerbando así la producción de Aβ y el depósito de placas amiloides. La reducción de los niveles de activación Akt en los ratones knock-in PDK1K465E/K465E protege las neuronas frente a la toxicidad mediada por el estrés de retículo, lo que sugiere que Akt podría contribuir a la patología de la EA induciendo la UPR. Este hecho se apoya por la hiperactivación de Akt y la inducción de la UPR observada en los ratones mutantes APP/Tau modelos de EA. La tunicamicina, inhibidor del primer paso en la biosíntesis de N-glucanos en las proteínas, causa estrés del ER y reduce la viabilidad celular induciendo la UPR tanto en células HEK293T como Neuro2A. La pérdida de viabilidad celular inducida por tunicamicina disminuye la densidad y altera la morfología celular sin llegar a inducir la muerte, ya que consiste en un arresto reversible del ciclo celular. La inhibición de Akt con el compuesto MK2206 restaura el fenotipo de las células tratadas con tunicamicina atenuando la UPR y antagonizando el arresto del ciclo celular. La inhibición de los otros efectores de PDK1 (S6K, SGK o RSK) no es protectora frente a la tunicamicina. La inhibición de Akt no protege de la toxicidad causada por la tunicamicina a células diferenciadas y neuronas primarias con niveles de actividad de Akt reducidos. Además, la inhibición de la principal quinasa de la UPR, PERK, también puede mitigar las consecuencias del estrés reticular atenuando la UPR, sin afectar a los niveles de activación de Akt.

Estos resultados sugieren que Akt contribuye a la alteración de la homeostasis proteica, por lo que su inhibición parcial podría ser una buena aproximación terapéutica para atenuar la pérdida neuronal presente en los cerebros con EA.

Alzheimer’s disease (AD) is the most common neurodegenerative disease, characterized by progressive neuronal loss triggered by the presence of amyloid plaques and neurofibrillary tangles. Cell signaling cascades are currently considered a source of promising therapeutical targets for the design of new drugs blocking the progression of AD. Among them, PI3K/PDK1/Akt signaling pathway is hyperactivated in AD brains. This pathway plays an important role in restraining TACE α-secretase activity, that leads to decreased APPα processing and TNFR1 shedding, resulting in increased Aβ release and TNF-α hypersensitivity.

Strikingly, inhibition of PDK1 reduced brain pathology and memory impairment in AD mice models, but at the same time exhibited deleterious effects, since the animals died after 5 months of treatment. Results in the laboratory allow to postulate that inhibition of the PDK1 effector Akt would protect mice against AD, while inhibition of the other PDK1 effectors (S6K, SGK, RSK and PKC) would be responsible for the toxicity. Supporting this hypothesis, PDK1K465E/K465E PH-domain knock-in mice with deficient Akt activation show increased TACE activity and elevated TNFR1 and APPα processing, which protect neurons against TNF-α and Aβ toxicity. Pharmacological Akt inhibition in immune cell lines accentuates the phosphorylation of NFκB, a transcription factor that plays an important role in regulating gene expression of inflammatory cytokines; however, TNF-α, IL-6 or IL-1β gene transcription is not affected by this posttranslational modification.

Another deleterious cellular consequence of AD is the stress of endoplasmic reticulum (ER), leading to an induction of the Unfolded Protein Response (UPR) in temporal cortex and hippocampus. The UPR is a protective cellular response induced upon ER stress caused by perturbations in protein folding, such as Aβ accumulation. It represents a mechanism of adaptation and survival, which leads to the reduction of the unfolded protein load and to the reestablishment of protein-folding homeostasis. If these mechanisms are not enough to recover the homeostasis, the UPR will dictate cell death. ER stress may interfere with normal non-amyloidogenic trafficking of APP, leading to higher Aβ production. The increased production of Aβ peptides induces an overactivation of the PI3K/Akt signaling pathway, that could also contribute to activate the UPR, thereby exacerbating the Aβ production and the deposition of amyloid plaques. Reducing Akt activity levels by PDK1K465E/K465E knock-in mutation also protects mice neurons against ER stress mediated toxicity, suggesting that Akt could contribute to AD pathology by inducing the UPR. This is supported by the hyperactivation of Akt and UPR observed in APP/Tau mutant mice models of AD.

Tunicamycin, an inhibitor of the first step in the biosynthesis of N-linked glycans in proteins, causes ER stress and reduces cell viability by inducing the UPR in both HEK293T and Neuro2A cells. Tunicamycin-induced loss of cell viability decreases cell density and alters cell morphology without inducing cell death, by means of a reversible cell cycle arrest. The inhibition of Akt with the MK2206 compound restores the phenotype of tunicamycin-treated cells by attenuating the UPR and antagonizing the cell cycle arrest. Moreover, the inhibition of other effectors of the PI3K/PDK1 signaling pathway (S6K, SGK or RSK) is not protective against tunicamycin, since it does not attenuate the UPR. Chemical inhibition of Akt is not protective but rather toxic in tunicamycin-treated postmitotic cells and neurons with lower Akt activity levels. In addition, inhibition of the major UPR kinase, PERK, can also mitigate the consequences of ER stress by attenuating the UPR, thereby protecting cells against tunicamycin toxicity without affecting Akt activation levels.

Altogether, these results suggests that Akt contributes to the disruption of protein homeostasis, thereby partial inhibition of Akt could be a therapeutic approach to attenuate the neuronal loss occurring in AD brains.