Δράση του ενζύμου μεταλλοπρωτεϊνάση 9 (ΜΜΡ-9) στην ινσουλινοεξαρτώμενη οδό επιβίωσης σε πρωτογενή νευρικά κύτταρα εγκεφάλου από φυσιολογικά και διαγονιδιακά ποντίκια - μοντέλα νόσου Alzheimer

Abstract

A hallmark of Alzheimer’s disease (AD) is the accumulation of oligomeric amyloid-β (Αβ) peptide, which may be primarily responsible for neuronal dysfunction. Among others, insulin survival pathway is impaired due to the presence of Αβ-oligomers. On the contrary, unperturbed insulin signaling provides a defense mechanism against neuronal loss. Previous studies have shown that matrix metalloproteinase-9 (MMP-9), an enzyme of the extracellular matrix which is implicated in synaptic plasticity, may have a neuroprotective role against AD, by decreasing the formation of Αβ oligomers. In the present study, the role of MMP-9 on the insulin survival pathway was examined in two different experimental systems; in primary hippocampal cultures and hippocampal tissue extracts from 3 month-old wild type mice. Four different mouse genotypes were used; mice model for AD (5XFAD), MMP-9-overexpressing (TgMMP-9) mice, double transgenic mice (5XFAD/TgMMP-9) and wild type mice (WT). The data demonstrate that the insulin pathway was compromised in samples from 5XFAD mice, in both experimental systems, when compared to the wild type and MMP-9 overexpressing mice. This was due to enhanced phosphorylation of IRS1 at Serine 636, which renders IRS1 inactive and prevents insulin-mediated signaling. On the contrary, in 5XFAD/TgMMP-9 samples, the insulin survival pathway was rescued through enhanced activation by phosphorylation of IRS1 at Tyrosine 465, followed by increased levels of BDNF and TrkB activation. Increased phosphorylation of Akt and GSK-3β, and decreased phosphorylation of JNK kinase was observed. Finally, decreased apoptosis, as well as decreased oligomeric Αβ levels, were also observed in 5XFAD/TgMMP-9 mice in vitro and in vivo respectively, compared to 5XFAD mice. In conclusion, our findings indicate that overexpression of MMP-9 is able to rescue insulin survival signaling in vitro and in early stages in the 5XFAD model of AD. Thus, insulin-mediated survival enhancement, via targeted MMP-9 expression, could possibly be used as a novel promising therapeutic strategy.

Ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά της νόσου Alzheimer (ΝΑ) αποτελεί η συσσώρευση του ολιγομερούς Αβ πεπτιδίου (Αβ), το οποίο πιθανώς αποτελεί την κύρια αιτία για τη νευρική δυσλειτουργία που παρατηρείται στη νόσο. Ένα από τα κυτταρικά μονοπάτια που πλήττεται από τη δράση των Αβ ολιγομερών αφορά το μονοπάτι κυτταρικής επιβίωσης της ινσουλίνης. Αντιθέτως, η ορθή κυτταρική σηματοδότηση της ινσουλίνης αποτελεί έναν από τους αμυντικούς μηχανισμούς έναντι της συναπτικής απώλειας. Έχει αποδειχθεί από προηγούμενες μελέτες ότι η μεταλλοπρωτεϊνάση-9 (MMP-9), ένα ένζυμο της εξωκυττάριας ουσίας, στενά συνδεδεμένο με τη συναπτική πλαστικότητα, πιθανόν να έχει νευροπροστατευτικές ιδιότητες στη ΝΑ, καθώς έχει την ιδιότητα να μειώνει τη δημιουργία των Αβ ολιγομερών. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε ο ρόλος της MMP-9 στο ινσουλινο-εξαρτώμενο μονοπάτι επιβίωσης σε δύο διαφορετικά συστήματα: σε πρωτογενείς νευρώνες ιππόκαμπου και σε ιστούς ιππόκαμπου νεαρών μυών 3 μηνών. Μελετήθηκαν 4 διαφορετικοί γονότυποι: μυς μοντέλα της NA (5XFAD), μυς που υπερεκφράζουν την MMP-9 (TgMMP-9), διπλά διαγονιδιακοί μυς (5XFAD/TgMMP-9) και μυς άγριου τύπου (WT). Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι το ινσουλινο-εξαρτώμενο μονοπάτι επιβίωσης διαταράσσεται στα δείγματα από τους 5XFAD μυς και στα 2 πειραματικά συστήματα σε σύγκριση με τους μυς που υπερεκφράζουν την MMP-9 ή τους μυς άγριου τύπου. Συγκεκριμένα, ανιχνεύθηκε αυξημένη φωσφορυλίωση του IRS1 στη σερίνη 636, η οποία προκαλεί την απενεργοποίηση του και οδηγεί στην αναστολή της σηματοδότησης της ινσουλίνης. Αντιθέτως, το γεγονός αυτό απετράπη στους 5XFAD/TgMMP-9 μυς, λόγω της αυξημένης φωσφορυλίωσης του IRS1 στη τυροσίνη 465, η οποία συνοδεύτηκε από αυξημένα επίπεδα του παράγοντα BDNF και αυξημένη ενεργοποίηση του υποδοχέα TrkB. Παράλληλα, ανιχνεύθηκε αυξημένη φωσφορυλίωση των Akt και GSK-3β κινασών, καθώς και μειωμένη φωσφορυλίωση της JNK κινάσης. Τέλος, στους ίδιους μυς παρατηρήθηκε μικρότερο ποσοστό κυτταρικής απόπτωσης στις πρωτογενείς κυτταροκαλλιέργειες, καθώς και μειωμένα επίπεδα Αβ ολιγομερών στους ενήλικες μυς σε σχέση με τους 5XFAD μυς. Συνολικά, τα ευρήματα της παρούσας μελέτης συνηγορούν στο ότι η υπερέκφραση της MMP-9 επαναφέρει την κυτταρική σηματοδότηση της ινσουλίνης τόσο in vitro, όσο και σε πρώιμα στάδια της νόσου στο 5XFAD μοντέλο της ΝΑ. Συνεπώς, η ενίσχυση της ινσουλινο-εξαρτώμενης οδού επιβίωσης, μέσω της ελεγχόμενης έκφρασης της MMP-9, θα μπορούσε πιθανώς να αποτελέσει μια καινοτόμο και ελπιδοφόρο θεραπευτική στρατηγική.