The effect of high glucose-induced endolysosomal dysfunction on neuronal Amyloid β accumulation

Abstract

당뇨병은 알츠하이머병의 위험 인자로 간주되고 있지만, 당뇨병에 의한 아밀로이드 베타의 축적 조절에 대한 자세한 기전은 명확히 밝혀져 있지 않다. 엔도리소좀(Endolysosome) 기능장애는 두 질환 사이의 인과관계를 설명할 수 있는 병리학적 연관성을 가진다. 그러나, 고혈당에 의한 신경세포 내 엔도리소좀의 기능 조절에 대해서는 알려진 바가 적다. 따라서 이 연구의 목표는 고농도 포도당에 의한 1) 아밀로이드 전구체 단백질(APP)을 처리할 수 있는 엔도솜 및 관련 신호전달경로의 조절 기전, 2) 레트로머(Retromer)와 이와 관련된 아밀로이드 전구체 단백질의 처리 및 타우 단백질의 인산화 메커니즘의 조절 이상, 3) 리소좀 자가포식(Lysophagy)의 장애와 그로 인한 아밀로이드 베타 축적과 이와 관련된 기전을 규명하는 것이다. 연구결과는 다음과 같다:

1) 당뇨병에 이환된 랫드와 마우스의 해마에서 엔도솜 이상과 아밀로이드 베타 축적의 증가가 나타났다. 고농도 포도당은 지질 뗏목을 매개로 하는 아밀로이드 전구체 단백질의 세포내 이입의 증가로 인한 초기 엔도솜 확대를 통해 아밀로이드 베타의 생산을 증가시켰다. 고농도 포도당에 의해 유도된 활성산소종(Reactive oxygen species)은 Sp1을 활성화시켰으며, 포스파티딜이노시톨 결합 클라트린 조립 단백질(Phosphatidylinositol-binding clathrin assembly protein), 클라트린 중쇄(Clathrin heavy chain), 어댑터 관련 단백질 복합체 2 알파 1(Adaptor-related protein complex 2 α1)을 상향 조절했다. 포스파티딜이노시톨 결합 클라트린 조립 단백질은 클라트린을 매개로 하는 아밀로이드 전구체 단백질의 세포내 이입을 촉진하여 초기 엔도솜을 확대시켰다. 한편, AMPK/mTORC1에 의한 자가포식의 결함과 활성산소종 및 mTORC1에 의한 리소좀의 기능장애는 고농도 포도당 조건에서의 초기 엔도솜 비대를 악화시켰다. 더욱이, 초기 엔도솜 확대의 억제는 당뇨병에 이환된 마우스에서 증가된 아밀로이드 베타의 생산과 인지 장애를 완화시켰다.

2) 당뇨병에 이환된 마우스의 해마와 고농도 포도당에 노출된 인간의 신경세포에서 액포 단백질 분류-관련 단백질 26a(Vacuolar protein sorting-associated protein 26a)가 감소했다. 고농도 포도당은 활성산소종/핵인자 카파비(NF-κB)/디옥시리보핵산 메틸트랜스퍼라제 1(DNA methyltransferase1)에 의한 촉진유전자의 과도한 메틸화를 통해 액포 단백질 분류-관련 단백질 26a를 하향 조절했다. 액포 단백질 분류-관련 단백질 26a의 회복은 아밀로이드 전구체 단백질과 양이온 독립적인 만노스-6-인산 수용체의 엔도솜 내 보존을 억제하고 트랜스-골지체로의 수송 촉진을 통해, 아밀로이드 베타의 수치를 감소시키고, 카텝신 D의 활성을 향상시켜 인산화된 타우 단백질의 수치를 감소시켰다. 레트로머의 기능 회복은 당뇨병에 이환된 마우스의 시냅스 결손, 별아교세포의 과잉 활성 및 인지 장애를 완화시켰다.

3) 고농도 포도당은 활성산소종에 의해 매개된 리소좀 막 투과와 리소좀 자가포식 장애를 통해 신경세포의 리소좀 기능 이상을 유도했다. 리소좀 자가포식 관련 인자 중, TRIM16의 발현은 mTORC1에 의한 전사 인자 EB (TFEB)의 활성 억제를 통해 고농도 포도당에 노출된 신경세포와 당뇨병에 이환된 마우스의 해마에서 감소했다. TRIM16의 과발현은 손상된 리소좀으로의 미세소관 관련 단백질 1A/1B-경쇄3(LC3), p62, 유비퀴틴의 모집을 통해 리소좀 자가포식과 리소좀 생합성을 회복시켰으며, 이는 고농도 포도당에 의해 유도된 아밀로이드 베타와 인산화된 타우 단백질의 축적을 억제했다. 당뇨병에 이환된 마우스에서, TFEB 강화제는 해마에서의 리소좀 자가포식을 회복하여 인지장애를 완화시켰다.

결론적으로, 이 연구에서는 고농도 포도당이 1) 포스파티딜이노시톨 결합 클라트린 조립 단백질에 의한 아밀로이드 전구체 단백질의 세포내 이입 유도와 mTORC1에 의한 엔도솜 제거 억제를 통해 초기 엔도솜 이상, 2) 핵인자 카파비(NF-κB)/디옥시리보핵산 메틸트랜스퍼라제 1(DNA methyltransferase1)에 의한 액포 단백질 분류-관련 단백질 26a를 하향 조절을 통해 레트로머의 기능 이상, 3) mTORC1/전사 인자 EB에 의한 TRIM16의 하향 조절을 통해 신경세포의 리소좀 자가포식 장애를 유발함을 확인했으며, 이는 아밀로이드 베타의 축적을 유도함을 입증했다. 따라서, 엔도리소좀 기능 장애는 당뇨병과 관련된 알츠하이머병의 주요한 병리기전적 원인이며, 이를 조절하는 것은 알츠하이머병 예방 및 치료를 위한 전략이 될 수 있다.

Although diabetes mellitus (DM) is considered as a risk factor for Alzheimers disease (AD), the detailed mechanism by which DM regulates amyloid beta (Aβ) accumulation is still unclear. Endolysosomal dysfunction is a pathological link that may explain the causal relationship between the two diseases; however, there is little information on the regulation of neuronal endolysosomal function by hyperglycemia. Therefore, this study aims to investigate 1) the effects of high glucose on amyloid precursor protein (APP)-processing endosomes and its related signaling pathways, 2) the effects of high glucose on the retromer and defined the dysregulation of mechanisms of APP processing and tau phosphorylation, and 3) the effect and related mechanisms of action of high glucose on lysophagy impairment and subsequent Aβ accumulation. Results were as followings:

1) The hippocampus of diabetic animals presented endosomal abnormalities and Aβ up-regulation. High glucose increased Aβ production through early endosomal enlargement achieved by increased lipid raft-mediated APP endocytosis. High glucose induced ROS-stimulated Sp1 activation, up-regulating phosphatidylinositol binding clathrin assembly protein (PICALM), clathrin heavy chain, and adaptor-related protein complex 2 alpha 1. PICALM facilitated clathrin-mediated APP endocytosis resulting in early endosomal enlargement. Meanwhile, AMPK/mTORC1-mediated autophagy defect and ROS- and mTORC1-mediated lysosomal dysfunction aggravated early endosomal enlargement under high glucose. Moreover, the increased Aβ production and cognitive deficits in diabetic mice were reversed by inhibition of early endosomal enlargement [Br J Pharmacol. 2020;177: 3828-3847].

2) Vacuolar protein sorting-associated protein 26a (VPS26a) was decreased in the hippocampus of diabetic mice and high glucose-treated human neuronal cells. High glucose down-regulated VPS26a through ROS/NF-κB/DNA methyltransferase1-mediated promoter hypermethylation. VPS26a recovery blocked retention of APP and cation-independent mannose-6-phosphate receptor in endosomes and promoted transport to the trans-Golgi, which decreased Aβ levels, and improved cathepsin D activity, reducing p-Tau levels, respectively. Retromer enhancement ameliorated synaptic deficits, astrocyte overactivation, and cognitive impairment in diabetic mice [Br J Pharmacol. 2022;179: 3934–3950].

3) High glucose induced neuronal lysosomal dysfunction through reactive oxygen species-mediated lysosomal membrane permeabilization and lysophagy impairment. Among lysophagy-related factors, the expression of tripartite motif containing 16 (TRIM16) was reduced in high glucose-treated neuronal cells and the diabetic hippocampus through mTORC1-mediated inhibition of transcription factor EB (TFEB) activity. TRIM16 overexpression recovered lysophagy and lysosomal biogenesis through the recruitment of microtubule-associated protein 1A/1B-light chain 3 (LC3), p62, and ubiquitin to damaged lysosomes, which inhibited the high-glucose-induced accumulation of Aβ and p-Tau. In the diabetic mice model, TFEB enhancer recovered lysophagy in the hippocampus, resulting in the amelioration of cognitive impairment.

In conclusion, present study demonstrated that high glucose induced 1) early endosomal abnormalities through PICALM-induced APP endocytosis and mTORC1-inhibited endosomal clearance, 2) retromer dysfunction through NF-κB/DNA methyltransferase1-mediated VPS26a downregulation, and 3) neuronal lysophagy impairment through mTORC1/TFEB-mediated TRIM16 downregulation, which induced Aβ accumulation. Thus, endolysosomal dysfunction is a promising candidate for the inhibition of diabetes-associated Alzheimers disease pathogenesis.