The relevence of insulin signalling in Alzheimer's disease

Abstract

Alzheimer’s disease (AD) is the most common type of dementia worldwide. It is molecularly characterized by deposition of extracellular senile plaques (SPs) composed by aggregated amyloid beta (Aβ) peptide, the formation of neurofibrillary tangles (NFTs) derived from hyperphosphorylation of the microtubule-associated protein Tau, synaptic dysfunction due to the deposits of SPs and NFTs and oxidative stress induced by impaired metabolic pathways. The insulin signalling pathway can play a major role in diverse AD related pathways, such as APP cleavage, Tau hyperphosphorylation, Apolipoprotein E (ApoE) influence in insulin signalling efficiency and the insulin degrading enzyme, which is also the major Aβ degrading enzyme. Growing evidence links AD with type 2 diabetes (T2D) due to impaired insulin signalling (IS) and brain insulin resistance. In a cohort based study in the Aveiro region, a correlation between diabetes and poor cognitive scores in the Mini Mental State Examination (MMSE) test were observed, with a p-value of 0.072. Additionally, carriers of the allele ApoE-ɛ2 appeared to be protective against diabetes, in the literature the same allele appears to be protective for AD. Posteriorly, the analysis of protein interactions, via the development of interactome networks, identified several proteins involved in both AD and the IS pathways. Also, by correlating these pathways with the synapse proteome, a very high overlap was observed (88% for AD, 79% for IS and 96% for AD and IS coincident proteins), enforcing the importance of both pathways in synaptic signalling and plasticity. From gene ontology studies, it was possible to assess the principal biological processes and molecular functions of the dataset of proteins. For AD, response to stimulus, cellular component organization, cell communication, signalling, protein binding, receptor binding and kinase binding were categories with elevated representation. Regarding coincident proteins between AD and IS pathways, an increase in all categories was observed, meaning that insulin plays a pivotal role in many AD events. Finally, the analysis of SH-SY5Y differentiated cells treated with 0, 1, 10 and 100 nM of insulin for 0, 10 and 60 minutes, showed a decrease on the intracellular total levels of protein Tau and an increase in the phosphorylation at serine 396. Regarding the amyloid precursor protein (APP), increases in intracellular levels were observed, when treated with insulin for 10 minutes, followed by a decrease for 60 minutes exposure. The phosphorylation of APP at threonine 668, has previously been related to increased production of Aβ, by promoting APP cleavage via the amyloidogenic pathway. In cells treated with insulin, a clear increase was detected at the 10-minute time point. At 60 minutes, the levels of phosphorylation were low probably due to low total APP levels.

A doença de Alzheimer (DA) é o tipo mais comum de demência no mundo. É caracterizada molecularmente pela deposição extracelular de placas senis (PS) compostas por agregados do péptido amiloide beta (Aβ), pela formação de emaranhados neurofibrilares (EN) derivados da hiperfosforilação da proteína Tau, pela disfunção sináptica devido aos depósitos de PS e EN e também pelo stress oxidativo induzido pelo enfraquecimento das vias metabólicas. A via de sinalização da insulina desempenha um papel principal em diversas vias da DA, tal como na clivagem da APP, hiperfosforilação da proteína Tau, eficiência da sinalização da insulina influenciada pela Apolipoproteína E (ApoE) e pela enzima envolvida na degradação de insulina que também é a enzima principal na degradação de Aβ. Crescente evidência relaciona a DA com a diabetes de tipo 2 (T2D) devido ao mau funcionamento da sinalização pela insulina e da resistência cerebral à mesma. Num estudo baseado num cohort da região de Aveiro, foi observada uma correlação entre a diabetes e um mau resultado no teste do ‘Mini Mental State Examination’. Adicionalmente, também foi observada uma correlação entre os portadores do alelo ApoE-ɛ2 e um estado protetor contra a T2D. Este alelo também foi observado na literatura como sendo protetor contra a DA. Posteriormente, uma análise de interações entre proteínas, identificou várias proteínas envolvidas tanto na DA como na sinalização da insulina. Correlacionando estes dados com o proteoma da sinapse, foi possível observar que existe uma grande representação das duas condições e também das proteínas coincidentes às duas (88% para a DA, 79% para a sinalização da insulina e 96% para as proteínas relacionadas com ambas), reforçando o papel de ambas as vias na sinalização e plasticidade sináptica. Do estudo de ontologia genética para a DA, foi possível identificar diversas vias importantes, tais como, resposta a um estímulo, organização de componentes celulares, comunicação celular, ligação proteica e ligação a uma cinase. Em relação à sinalização da insulina, as mesmas categorias apareciam com maior representação, significando que a insulina tem um papel importante em muitos eventos da DA. Por fim, o tratamento de SH-SY5Y diferenciadas com 0, 1, 10 e 100 nM de insulina por 0, 10 e 60 minutos mostraram uma diminuição nos níveis intracelulares da proteína Tau e um aumento na sua fosforilação na serina 396. Em relação à proteína percursora amiloide (APP), o tratamento de insulina levou a um aumento nos níveis intracelulares, quando exposta por 10 minutos seguido por uma diminuição aos 60 minutos. Quanto à fosforilação da treonina 668 da APP, foi previamente demonstrado que um aumento na fosforilação desse resíduo, promove a clivagem pela via amiloidogénica, levando à produção de Aβ. Nas células tratadas com insulina, um aumento claro da fosforilação desse resíduo da APP foi observado aos 10 minutos. Aos 60 minutos, os níveis da fosforilação eram baixos provavelmente devido aos baixos níveis de APP total.