Особенности экспрессии гена инсулина и функциональной активности молекул-компонентов инсулин-сигнального пути при болезни Альцгеймера

Цель. Изучение экспрессии мРНК инсулина, уровня инсулина и лактата в различных областях головного мозга при экспериментальной болезни Альцгеймера, а также оценка экспрессии адаптерного белка Fe65 и маркера окислительного повреждения ДНК – γH2AX.

Материалы и методы. Объект исследования – мыши линии C57BL/6, самцы в возрасте 4 месяцев, с интрагиппокампальным введением β-амилоида (экспериментальная болезнь Альцгеймера (C57BL/6+ Aβ 1-42)), контрольная группа – мыши линии C57BL/6, самцы в возрасте 4 месяца, после введения фосфатно-солевого буфера (ложно-оперированные животные (C57BL/6+PBS)). Оценку экспрессии гена инсулина в гиппокампе и миндалевидном теле осуществляли с помощью метода ПЦР. Определение уровня лактата и инсулина в различных областях головного мозга проводили методом иммуноферментного анализа. Экспрессию Fe65 и γH2AX в гиппокампе изучали методом иммуногистохимии с последующей конфокальной микроскопией.

Результаты. У животных с экспериментальной моделью болезни Альцгеймера выявлена гиперэкспрессия гена инсулина в гиппокампе и миндалевидном теле, повышение уровня лактата в гиппокампе, а также тенденция к увеличению уровня инсулина в миндалевидном теле по сравнению с контрольной группой. Установлено, что нейродегенерация альцгеймеровского типа сопровождается увеличением экспрессии белка Fe65 в эндотелии (p=0,0417) и γH2AX в нейронах гиппокампа (p=0,0443).

Заключение. Нейродегенерация альцгеймеровского типа сопровождается увеличением уровня экспрессии гена инсулина в гиппокампе и миндалевидном теле головного мозга, что сопряжено с увеличение уровня инсулина в миндалевидном теле, обусловленное включением защитного механизма в условиях токсического действия β-амилоида. Это способствует нарушению передачи сигналов инсулина, вызывая развитие дисметаболизма глюкозы, что проявляется в увеличении уровня лактата в ткани головного мозга. Абберантная инсулин-сигнальная трансдукция находит свое отражение в нейрональной аккумуляции γH2AX, вызывая дисфункцию нейронов, а также в гиперэкспрессии белка Fe65 в эндотелии гиппокампа, которая обусловлена нарушением протеолиза APP за счет неспособности инсулина ингибировать его взаимодействие с белком Fe65, и тем самым препятствовать образованию и отложению β-амилоида.

1. Masters CL, Bateman R, Blennow K, Rowe CC, Sperling RA, Cummings JL. Alzheimer's disease. Nat Rev Dis Primers. 2015;1:15056. https://doi.org/10.1038/nrdp.2015.56

2. El Haj M, Colombel F, Kapogiannis D, Gallouj K. False Memory in Alzheimer's Disease. Behav Neurol. 2020;2020:5284504. https://doi.org/10.1155/2020/5284504

3. Fonte C, Smania N, Pedrinolla A, Munari D, Gandolfi M, Picelli A, Varalta V, Benetti MV, Brugnera A, Federico A, Muti E, Tamburin S, Schena F, Venturelli M. Comparison between physical and cognitive treatment in patients with MCI and Alzheimer's disease. Aging (Albany NY). 2019;11(10):3138-3155. https://doi.org/10.18632/aging.101970

4. Selkoe DJ, Hardy J. The amyloid hypothesis of Alzheimer's disease at 25 years. EMBO Mol Med. 2016;8(6):595-608. https://doi.org/10.15252/emmm.201606210

5. Johnson LA. APOE and metabolic dysfunction in Alzheimer's disease. Int Rev Neurobiol. 2020;154:131-151. https://doi.org/10.1016/bs.irn.2020.02.002

6. Clarke JR, Ribeiro FC, Frozza RL, De Felice FG, Lourenco MV. Metabolic Dysfunction in Alzheimer's Disease: From Basic Neurobiology to Clinical Approaches. J Alzheimers Dis. 2018;64(s1):S405-S426. https://doi.org/10.3233/JAD-179911

7. Raffaitin C, Gin H, Empana JP, Helmer C, Berr C, Tzourio C, Portet F, Dartigues JF, Alpérovitch A, Barberger-Gateau P. Metabolic syndrome and risk for incident Alzheimer's disease or vascular dementia: the Three-City Study. Diabetes Care. 2009;32(1):169-174. https://doi.org/10.2337/dc08-0272

8. Mistur R, Mosconi L, De Santi S, Guzman M, Li Y, Tsui W, de Leon MJ. Current Challenges for the Early Detection of Alzheimer's Disease: Brain Imaging and CSF Studies. J Clin Neurol. 2009;5(4):153-166. https://doi.org/10.3988/jcn.2009.5.4.153

9. Croteau E, Castellano CA, Fortier M, Bocti C, Fulop T, Paquet N, Cunnane SC. A cross-sectional comparison of brain glucose and ketone metabolism in cognitively healthy older adults, mild cognitive impairment and early Alzheimer's disease. Exp Gerontol. 2018;107:18-26. https://doi.org/10.1016/j.exger.2017.07.004

10. Knezovic A, Barilar JO, Babic A, Bagaric R, Farkas V, Riederer P, Salkovic-Petrisic M. Glucagon-like peptide-1 mediates effects of oral galactose in streptozotocin-induced rat model of sporadic Alzheimer’s disease. Neuropharmacology. 2018;135:48-62. https://doi.org/10.1016/j.neuropharm.2018.02.027

11. Tramutola A, Sharma N, Barone E, Lanzillotta C, Castellani A, Iavarone F, Vincenzoni F, Castagnola M, Butterfield DA, Gaetani S, Cassano T, Perluigi M, Di Domenico F. Proteomic identification of altered protein O-GlcNAcylation in a triple transgenic mouse model of Alzheimer’s disease. Biochim Biophys Acta Mol Basis Dis. 2018;1864(10):3309-3321. https://doi.org/10.1016/j.bbadis.2018.07.017

12. Wakabayashi T, Yamaguchi K, Matsui K, Sano T, Kubota T, Hashimoto T, Mano A, Yamada K, Matsuo Y, Kubota N, Kadowaki T, Iwatsubo T. Differential effects of diet- and genetically-induced brain insulin resistance on amyloid pathology in a mouse model of Alzheimer's disease. Mol Neurodegener. 2019;14(1):15. https://doi.org/10.1186/s13024-019-0315-7

13. Gupta S, Yadav K, Mantri SS, Singhal NK, Ganesh S, Sandhir R. Evidence for Compromised Insulin Signaling and Neuronal Vulnerability in Experimental Model of Sporadic Alzheimer's Disease. Mol Neurobiol. 2018;55(12):8916-8935. https://doi.org/10.1007/s12035-018-0985-0

14. Werner H, LeRoith D. Insulin and insulin-like growth factor receptors in the brain: physiological and pathological aspects. Eur Neuropsychopharmacol. 2014;24(12):1947-1953. https://doi.org/10.1016/j.euroneuro.2014.01.020

15. Banks WA, Owen JB, Erickson MA. Insulin in the brain. Pharmacol. Ther. 2012;136:82-93. https://doi.org/10.1016/j.pharmthera.2012.07.006

16. Rhea EM, Torres ERS, Raber J, Banks WA. Insulin BBB pharmacokinetics in young apoE male and female transgenic mice. PLOS ONE. 2020;15(1):e0228455. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0228455

17. Takano K, Koarashi K, Kawabe K, Itakura M, Nakajima H, Moriyama M, Nakamura Y. Insulin expression in cultured astrocytes and the decrease by amyloid β. Neurochem Int. 2018;119:171-177. https://doi.org/10.1016/j.neuint.2017.10.017

18. Blázquez E, Velázquez E, Hurtado-Carneiro V, Ruiz-Albusac JM. I Insulin in the brain: its pathophysiological implications for States related with central insulin resistance, type 2 diabetes and Alzheimer's disease. Frontiers in Front Endocrinol (Lausanne). 2014;5:161. https://doi.org/10.3389/fendo.2014.00161

19. Ghasemi R, Haeri A, Dargahi L, Mohamed Z, Ahmadiani A. Insulin in the brain: sources, localization and functions. Mol Neurobiol. 2013;47(1):145-171. https://doi.org/10.1007/s12035-012-8339-9

20. Haapasalo A, Kovacs DM. The Many Substrates of Presenilin/γ-Secretase. J Alzheimers Dis. 2011;25(1):3-28. https://doi.org/10.3233/JAD-2011-101065

21. Picone P, Giacomazza D, Vetri V, Carrotta R, Militello V, San Biagio PL, Di Carlo M. Insulin-activated Akt rescues Aβ oxidative stress-induced cell death by orchestrating molecular trafficking: Insulin signalling antagonizes Aβ toxicity. Aging Cell. 2011;10(5):832-843. https://doi.org/10.1111/j.1474-9726.2011.00724.x

22. Stöhr O, Schilbach K, Moll L, Hettich MM, Freude S, Wunderlich FT, Ernst M, Zemva J, Brüning JC, Krone W, Udelhoven M, Schubert M. Insulin receptor signaling mediates APP processing and β-amyloid accumulation without altering survival in a transgenic mouse model of Alzheimer’s disease. Age (Dordr). 2013;35(1):83-101. https://doi.org/10.1007/s11357-011-9333-2

23. Pandini G, Pace V, Copani A, Squatrito S, Milardi D, Vigneri R. Insulin Has Multiple Antiamyloidogenic Effects on Human Neuronal Cells. Endocrinology. 2013;154(1):375-387. https://doi.org/10.1210/en.2012-1661

24. Epelbaum S, Youssef I, Lacor PN, Chaurand P, Duplus E, Brugg B, Duyckaerts C, Delatour B. Acute amnestic encephalopathy in amyloid- β oligomer-injected mice is due to their widespread diffusion in vivo. Neurobiol Aging. 2015;36(6):2043-2052. https://doi.org/10.1016/j.neurobiolaging.2015.03.005

25. Sipos E, Kurunczi A, Kasza A, Horvath J, Felszeghy K, Laroche S, Toldi J, Parducz A, Penke B, Penke Z. Beta-amyloid pathology in the entorhinal cortex of rats induces memory deficits: implications for Alzheimer's disease. Neuroscience. 2007;147(1):28-36. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2007.04.011

26. Комлева Ю.К., Малиновская Н.А., Горина Я.В., Лопатина О.Л., Волкова В.В., Салмина А.Б. Экспрессия молекул CD38 и CD157 в ольфакторных луковицах головного мозга при экспериментальной болезни Альцгеймера. Сибирское медицинское обозрение. 2015;5:45-49.

27. Горина Я.В., Комлева Ю.К., Лопатина О.Л., Черных А.И., Салмина А.Б. Экспрессия молекул-компонентов инсулин-опосредованной сигнальной трансдукции в клетках головного мозга при экспериментальной болезни Альцгеймера. Анналы клиниче- ской и экспериментальной неврологии. 2019;13(4):1-7. https://doi.org/10.25692/ACEN.2019.4.5

28. Encinas JM, Enikolopov G. Identifying and quantitating neural stem and progenitor cells in the adult brain. Methods Cell Biol. 2008;85:243-272. https://doi.org/10.1016/S0091-679X(08)85011-X

29. Salcedo I, Tweedie D, Li Y, Greig NH. Neuroprotective and neurotrophic actions of glucagon-like peptide-1: an emerging opportunity to treat neurodegenerative and cerebrovascular disorders: Neurological benefits of GLP-1 receptor activation. Br J Pharmacol. 2012;166(5):1586-1599. https://doi.org/10.1111/j.1476-5381.2012.01971.x

30. Yu L-Y, Pei Y. Insulin Neuroprotection and the Mechanisms. Chin Med J (Engl). 2015;128(7):976-981. https://doi.org/10.4103/0366-6999.154323

31. Mazucanti CH, Liu QR, Lang D, Huang N, O'Connell JF, Camandola S, Egan JM. Release of insulin produced by the choroid plexis is regulated by serotonergic signaling. JCI Insight. 2019;4(23):e131682. https://doi.org/10.1172/jci.insight.131682

32. Sripetchwandee J, Chattipakorn N, Chattipakorn SC. Links Between Obesity-Induced Brain Insulin Resistance, Brain Mitochondrial Dysfunction, and Dementia. Front Endocrinol (Lausanne). 2018;9:496. https://doi.org/10.3389/fendo.2018.00496

33. Chen Z, Zhong C. Decoding Alzheimer’s disease from perturbed cerebral glucose metabolism: Implications for diagnostic and therapeutic strategies. Prog Neurobiol. 2013;108:21-43. https://doi.org/10.1016/j.pneurobio.2013.06.004

34. Frölich L, Blum-Degen D, Bernstein HG, Engelsberger S, Humrich J, Laufer S, Muschner D, Thalheimer A, Türk A, Hoyer S, Zöchling R, Boissl KW, Jellinger K, Riederer P. Brain insulin and insulin receptors in aging and sporadic Alzheimer’s disease. J Neural Transm (Vienna). 1998;105(4-5):423-438. https://doi.org/10.1007/s007020050068

35. Craft S, Peskind E, Schwartz MW, Schellenberg GD, Raskind M, Porte DJr. Cerebrospinal fluid and plasma insulin levels in Alzheimer’s disease: Relationship to severity of dementia and apolipoprotein E genotype. Neurology. 1998;50(1):164-168. https://doi.org/10.1212/wnl.50.1.164

36. Fujisawa Y, Sasaki K, Akiyama K. Increased insulin levels after OGTT load in peripheral blood and cerebrospinal fluid of patients with dementia of Alzheimer type. Biol Psychiatry. 1991;30(12):1219-1228. https://doi.org/10.1016/0006-3223(91)90158-i

37. Molina JA, Jiménez-Jiménez FJ, Vargas C, Gómez P, de Bustos F, Gómez-Escalonilla C, Zurdo M, Tallón A, Martínez-Salio A, Porta-Etessam J, Villanueva C, Arenas J. Cerebrospinal fluid levels of insulin in patients with Alzheimer’s disease: Insulin and Alzheimer’s disease. Acta Neurol Scand. 2002;106(6):347-350. https://doi.org/10.1034/j.1600-0404.2002.01326.x

38. Chan ES, Chen C, Soong TW, Wong BS. Differential Binding of Human ApoE Isoforms to Insulin Receptor is Associated with Aberrant Insulin Signaling in AD Brain Samples. Neuromolecular Med. 2018;20(1):124-132. https://doi.org/10.1007/s12017-018-8480-3

39. Rivera EJ, Goldin A, Fulmer N, Tavares R, Wands J R, de la Monte SM. Insulin and insulin-like growth factor expression and function deteriorate with progression of Alzheimer’s disease: link to brain reductions in acetylcholine. J Alzheimers Dis. 2005;8(3):247-268. https://doi.org/10.3233/jad-2005-8304

40. Hoyer S. The brain insulin signal transduction system and sporadic (type II) Alzheimer disease: an update. J Neural Transm (Vienna). 2002;109(3):341-360. https://doi.org/10.1007/s007020200028

41. Hoyer S. The aging brain. Changes in the neuronal insulin/insulin receptor signal transduction cascade trigger late-onset sporadic Alzheimer disease (SAD). A mini-review. J Neural Transm (Vienna). 2002;109(7-8):991-1002. https://doi.org/10.1007/s007020200082

42. Mamelak M. Sporadic Alzheimer’s Disease: The Starving Brain. J Alzheimers Dis. 2012;31(3):459-474. https://doi.org/10.3233/JAD-2012-120370

43. Hoyer S. The young-adult and normally aged brain. Its blood flow and oxidative metabolism. A review - part I. Arch Gerontol Geriatr. 1982;1(2):101-116. https://doi.org/10.1016/0167-4943(82)90010-3

44. Ding F, Yao J, Rettberg JR, Chen S, Brinton RD. Early Decline in Glucose Transport and Metabolism Precedes Shift to Ketogenic System in Female Aging and Alzheimer’s Mouse Brain: Implication for Bioenergetic Intervention. PLoS One. 2013;8(11):e79977. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0079977

45. An Y, Varma VR, Varma S, Casanova R, Dammer E, Pletnikova O, Chia CW, Egan JM, Ferrucci L, Troncoso J, Levey AI, Lah J, Seyfried NT, Legido-Quigley C, O'Brien R, Thambisetty M. Evidence for brain glucose dysregulation in Alzheimer’s disease. Alzheimers Dement. 2018;14(3):318-329. https://doi.org/10.1016/j.jalz.2017.09.011

46. Tarczyluk MA, Nagel DA, Rhein Parri H, Tse EH, Brown JE, Coleman MD, Hill EJ. Amyloid β 1-42 Induces Hypometabolism in Human Stem Cell-Derived Neuron and Astrocyte Networks. J Cereb Blood Flow Metab. 201535(8):1348-1357. https://doi.org/10.1038/jcbfm.2015.58

47. Atlante A, de Bari L, Bobba A, Amadoro G. A disease with a sweet tooth: exploring the Warburg effect in Alzheimer’s disease. Biogerontology. 2017;18(3):301-319. https://doi.org/10.1007/s10522-017-9692-x

48. Magistretti PJ, Allaman IA Cellular Perspective on Brain Energy Metabolism and Functional Imaging. Neuron. 2015;86(4):883-901. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2015.03.035

49. Redjems-Bennani N, Jeandel C, Lefebvre E, Blain H, Vidailhet M, Guéant JL. Abnormal Substrate Levels That Depend upon Mitochondrial Function in Cerebrospinal Fluid from Alzheimer Patients. Gerontology. 1998;44(5):300-304. https://doi.org/10.1159/000022031

50. Bero AW, Yan P, Roh JH, Cirrito JR, Stewart FR, Raichle ME, Lee JM, Holtzman DM. Neuronal activity regulates the regional vulnerability to amyloid-β deposition. Nat Neurosci. 2011;14(6):750-756. https://doi.org/10.1038/nn.2801

51. Vlassenko AG, Vaishnavi SN, Couture L, Sacco D, Shannon BJ, Mach RH, Morris JC, Raichle ME, Mintun MA. Spatial correlation between brain aerobic glycolysis and amyloid-β (Aβ) deposition. Proc Natl Acad Sci USA. 2010;107(41):17763-17767. https://doi.org/10.1073/pnas.1010461107

52. Minopoli G, Gargiulo A, Parisi S, Russo T. Fe65 matters: New light on an old molecule. IUBMB Life. 2012;64(12):936-942. https://doi.org/10.1002/iub.1094

53. Strecker P, Ludewig S, Rust M, Mundinger TA, Görlich A, Krächan EG, Mehrfeld C, Herz J, Korte M, Guénette SY, Kins S. FE65 and FE65L1 share common synaptic functions and genetically interact with the APP family in neuromuscular junction formation. Sci Rep. 2016;6:25652. https://doi.org/10.1038/srep25652

54. Kesavapany S, Banner SJ, Lau K-F, Shaw CE, Miller CCJ, Cooper JD, McLoughlin DM. Expression of the Fe65 adapter protein in adult and developing mouse brain. Neuroscience. 2002;115(3):951-960. https://doi.org/10.1016/s0306-4522(02)00422-0

55. Delatour B, Mercken L, El Hachimi KH, Colle MA, Pradier L, Duyckaerts C. FE65 in Alzheimer’s disease: neuronal distribution and association with neurofibrillary tangles. Am J Pathol. 2001;158(5):1585-1591. https://doi.org/10.1016/S0002-9440(10)64113-2

56. Suh J, Lyckman A, Wang L, Eckman EA, Guénette SY. FE65 proteins regulate NMDA receptor activation-induced amyloid precursor protein processing. J Neurochem. 2011;119(2):377-388. https://doi.org/10.1111/j.1471-4159.2011.07419.x

57. Santiard-Baron D, Langui D, Delehedde M, Delatour B, Schombert B, Touchet N, Tremp G, Paul MF, Blanchard V, Sergeant N, Delacourte A, Duyckaerts C, Pradier L, Mercken L. Expression of human FE65 in amyloid precursor protein transgenic mice is associated with a reduction in beta-amyloid load. J Neurochem. 2005;93(2):330-338. https://doi.org/10.1111/j.1471-4159.2005.03026.x

58. d’Uscio LV, He T, Katusic ZS. Expression and Processing of Amyloid Precursor Protein in Vascular Endothelium. Physiology (Bethesda). 2017;32(1):20-32. https://doi.org/10.1152/physiol.00021.2016

59. Горина Я.В., Осипова Е.Д., Моргун А.В., Лопатина О.Л., Харитонова Е.В., Салмина А.Б. Особенности экспрессии бета-а-милоида в клетках церебрального эндотелия при эксперименталььной болезни Альцгеймера. Молекулярная медицина. 2021;19(2):26-33. https://doi.org/10.29296/24999490-2021-02-04

60. Porcellotti S, Fanelli F, Fracassi A, Sepe S, Cecconi F, Bernardi C, Cimini A, Cerù MP, Moreno S. Oxidative Stress during the Progression of β -Amyloid Pathology in the Neocortex of the Tg2576 Mouse Model of Alzheimer’s Disease. Oxid Med Cell Longev. 2015;2015:967203. https://doi.org/10.1155/2015/967203

61. Praticò D. Oxidative stress hypothesis in Alzheimer’s disease: a reappraisal. Trends Pharmacol Sci. 2008;29(12):609-615. https://doi.org/DOI:10.1016/j.tips.2008.09.001

62. Madabhushi R, Pan L, Tsai LH. DNA Damage and Its Links to Neurodegeneration. Neuron. 2014;83(2):266-282. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2014.06.034

63. Siddiqui MS, Francois M, Hecker J, Faunt J, Fenech MF, Leifert WR. γH2AX is increased in peripheral blood lymphocytes of Alzheimer’s disease patients in the South Australian Neurodegeneration, Nutrition and DNA Damage (SAND) study of aging. Mutat Res Genet Toxicol Environ Mutagen. 2018;829-830:6-18. https://doi.org/DOI:10.1016/j.mrgentox.2018.03.001

64. Myung NH, Zhu X, Kruman II, Castellani RJ, Petersen RB, Siedlak SL, Perry G, Smith MA, Lee HG. Evidence of DNA damage in Alzheimer disease: phosphorylation of histone H2AX in astrocytes. Age (Dordr). 2008;30(4):209-215. https://doi.org/10.1007/s11357-008-9050-7