Amyloid precursor protein induces reactive astrogliosis

Gretsen Velezmoro Jauregui, M.Sc.

Disertační práce

Anotace:

Abstrakt Úvod Astrocyty plní řadu důležitých funkcí, včetně energetického metabolismu, synaptické plasticity, udržování hematoencefalické bariéry a regulace neuroimunitní odpovědi v centrálním nervovém systému. Jejich hlavním cílem je tedy udržovat optimální funkci mozku a homeostázu. Jako vysoce účinné homeostatické gliové buňky mají astrocyty schopnost detekovat a reagovat na poranění mozku, zánětlivé inzulty nebo nemoci přechodem do stavu reaktivní astrogliózy, který je charakterizován významnými molekulárními a morfologickými změnami. Mnohé studie zdůrazňují zásadní roli reaktivní astrogliózy v progresi neurodegenerativních onemocnění. Kromě toho se hromadí důkazy z in vitro a in vivo studií, které naznačují, že reaktivní astrocyty konzistentně vykazují zvýšenou expresi a/nebo hladinu amyloidového prekurzorového proteinu (APP). Přesná úloha zvýšené exprese a/nebo hladiny APP v reaktivních astrocytech však zůstává nejasná. Tyto nálezy mě vedly k hypotéze, že APP hraje roli při indukci nebo regulaci reaktivní astrogliózy. Zde testuji tuto hypotézu zkoumáním účinků nadměrné exprese a delece APP v astrocytech v reakci na poranění. Metody Tato studie využila jak in vitro, tak in vivo přístupy k prozkoumání dopadu amyloidového prekurzorového proteinu (APP) na spouštění reaktivního stavu astrocytů. In vitro byly lidské kortikální astrocytyupraveny k nadměrná expresi nebo k deleci APP. In vivo byly použity dva myší modely — jeden transgenní model Alzheimerovy nemoci (AD) a jeden model traumatického poranění mozku (TBI). Morfologické změny astrocytů byly hodnoceny pomocí Shollovy analýzy, zatímco molekulární změny spojené s úrovněmi APP byly testovány pomocí biochemických a transkriptomických technik. Výsledky Moje data ukazují, že nadměrná exprese APP indukuje remodelaci sítě intermediárních filament, zvyšuje produkci cytokinů a aktivuje buněčné programy zaměřené na interferonovou (IFN) dráhu — všechny klíčové indikátory reaktivní astrogliózy. Naopak delece APP v kultivovaných astrocytech brání remodelaci sítě intermediárních filament a omezuje expresi IFN-stimulovaných genů (ISG) v reakci na lipopolysacharid (LPS). Po TBI se astrocyty stávají reaktivními a vykazují zvýšenou imunoreaktivitu na APP a IFNγ, zatímco astrocyty z TBI myší bez APP proteinu nevykazují žádné změny v hladinách GFAP pre RNA a proteiny. Podobně je v myším modelu AD zvýšena hladina APP v reaktivních astrocytech, spolu s pozitivní korelací mezi expresí APP a IFNγ. Závěr V souhrnu moje výsledky naznačují, že APP hraje roli jako zásadní iniciátor a regulátor reaktivní astrogliózy, což objasňuje mechanismy a potenciální terapeutické cíle zaměřené na astrocyty.

Abstract:

Abstract Introduction Astrocytes serve various crucial functions, including energy metabo-lism, synaptic plasticity, maintenance of the blood-brain barrier, and regulation of the neuroimmune response in the central nervous sys-tem. As a result, their primary objective is to uphold optimal brain function and homeostasis. Functioning as highly efficient homeostatic glial cells, astrocytes possess the ability to detect and respond to brain injury, inflammatory insults, or diseases by undergoing reactive astro-gliosis — a state marked by significant molecular and morphological changes. Numerous studies have highlighted the relevance of reactive astro-gliosis in the progression of neurodegenerative diseases. Besides, ac-cumulating evidence from in vitro and in vivo studies suggests that reactive astrocytes consistently display elevated expression and/or levels of Amyloid Precursor Protein (APP). However, the precise role of increased APP expression and/or levels in reactive astrocytes re-mains elusive. These findings led me to hypothesize that APP plays a role in inducing or regulating reactive astrogliosis. Here, I test this hy-pothesis by investigating effects of overexpression or deletion of APP in astrocytes in response to injuries. Methods This study utilized both in vitro and in vivo approaches to explore the impact of APP on triggering reactive astrocytes. In vitro, human corti-cal astrocytes were manipulated to alter either overexpression or dele-tion of APP. In vivo, two mouse models—a transgenic model of Alz-heimer’s disease (AD) and a model of traumatic brain injury (TBI)—were employed. Sholl analysis assessed morphological changes of as-trocytes, while molecular alterations associated with APP levels were tested using biochemical and transcriptomic techniques. Results My data reveal that APP overexpression induces remodeling of the intermediate filament network, heightens cytokine production, and activates cellular programs centered around the interferon (IFN) pathway, all key indicators of reactive astrogliosis. On the other hand, when APP is deleted from cultured astrocytes, the remodeling of the intermediate filament network doesn´t occur, and the production of IFN-stimulated (ISG) products in response to lipopolysaccharide (LPS) is restricted. Following a TBI, astrocytes become reactive and exhibit increased im-munoreactivity for APP and IFN-γ, while astrocytes from TBI mice lacking APP show no changes in GFAP RNA and protein levels. Similar-ly, there is an increase of APP in reactive astrocytes in a mouse model of AD, along with a positive correlation between APP expression and IFN-. Conclusion In summary, my results suggest that APP plays a role as an essential instigator and regulator of reactive astrogliosis, shedding light on the mechanisms contributing to neurodegeneration in brain diseases where APP dosage is involved, and highligthing potential astrocyte-centred therapeutic targets.

Keywords

Klíčová slova, astrocyty, reaktivní astroglióza, amyloidní prekurzorový protein, neurodegenerace, Alzheimerova choroba, interferonová dráha, lipopolysacharid, traumatické poškození mozku, IFN-stimulovaný gen Key words, astrocytes, reactive astrogliosis, amyloid precursor protein, neurodegeneration, Alzheimer‘s disease, interferon pathway, lipopolysacharide, traumatic brain injury, IFN-stimulated gene

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 25. 7. 2024

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 4. 10. 2024
• Vedoucí: Ph.D. Gorazd Bernard Stokin
• Oponent: Vladimir Parpura, MD, PhD, MAE, Augustas Pivoriunas, Ph.D.

Masarykova univerzita

Lékařská fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Biomedicínské vědy / Biochemie a molekulární biologie