Cross-talk between Acetylcholinesterase and Presenilin 1, implications for Alzheimer’s disease

Abstract

[EN] Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disorder characterized by a progressive loss of memory and cognition, wherein a deterioration of cholinergic synapses occurs in hippocampus and neocortex. Decreased concentration of the neurotransmitter acetylcholine (ACh) appears to be a contributing factor in the development of the dementia. In this regard, current therapeutic approach to treat AD symptoms is based in the inhibition of acetylcholinesterase (AChE), the enzyme responsible for ACh degradation. The AD brain is characterized by co-existence of amyloid plaques, extracellular protein deposits where the major component is the β-amyloid peptide (Aβ), and of neurofibrillary tangles (NFT), composed of paired helical filaments of the microtubule-associated protein tau abnormally hyperphosphorylated (P-tau). The Aβ peptide is a small polypeptide generated by processing of a much larger transmembrane protein, the β-amyloid precursor protein (APP) through the successive action of two proteolytic enzymes, β-secretase and γ–secretase. γ-Secretase is an intramembranous multi-protein complex that cleaves many type-I proteins with critical roles in neuronal function. Presenilin-1 (PS1) is the catalytic component of the γ-secretase complex. Our group has previously demonstrated by reciprocal co-immunoprecipitation that AChE can interact with PS1. Moreover, AChE can modulate PS1 levels. In cellular models AChE overexpression increases PS1 levels, while AChE knock-down with siRNA leads decrease level of PS1 protein in transfected cells. Our present study addresses how AChE influences PS1 expression by examining changes in PS1, at both protein and transcriptional levels, in several conditions where distinct AChE variant and molecular forms have been modulated. We demonstrate a modulation of PS1 by AChE variants via non-cholinergic mechanisms, and by a mechanism independent of its catalytic activity. Our data also suggest that AChE may function as an inhibitor of γ-secretase activity, and provide evidence that γ-secretase inhibition could result in PS1 upregulation. In this regard, we have re-analyzed the expression levels of AChE in the brain of AD subjects. We demonstrated by Western blotting and immunohistochemistry that a prominent pool of enzymatically inactive AChE protein existed in the AD brain. The potential significance of these unexpected levels of inactive AChE protein in the AD brain may is of relevance in the context of protein-protein interactions with PS1. Conversely, we have also studied the influence of PS1/ γ-secretase activity on AChE. The major AChE variant expressed in the brain is a tetramer (G4) of four catalytic subunits attached to the plasma membrane by a proline-rich membrane anchor subunit (PRiMA). We demonstrate that PS1 participates in AChE processing, cleaving PRiMA with the consequent release of a C-terminal PRiMA fragment. We are also able to localize PRiMA immunoreactivity in the nucleus, which suggest the possibility that the PRiMA segment participates in the regulation of gene transcription, a possibility that deserves thoroughly investigation. Understanding the relationship between PS1 and AChE may be useful not only for the physiopathology of the disease, but also to develop more effective Alzheimer’s

[ES] La enfermedad de Alzheimer (EA) es una enfermedad neurodegenerativa caracterizada por la perdida progresiva de memoria y capacidades cognitivas, siendo especialmente afectadas las areas y conexiones colinergicas del hipocampo y neocortex. Asi, la deplecion en los niveles del neurotransmisor acetilcolina (ACh) aparece como un factor de importancia en el desarrollo y progresion de la demencia. En este contexto, las actuales terapias paliativas con las que se trata la EA se basan en mantener niveles altos de ACh, mediante la inhibicion de la enzima que hidroliza al neurotransmisor, la acetilcolinestarase (AChE). En el cerebro de sujetos con EA co-existen dos entidades neuropatologicas que la caracterizan, los depositos proteinaceos extracelulares, cuyo componente mayoritario es el peptido β-amiloide (Aβ), y los ovillos neurofibrilares intraneuronales, un conglomerado anormal de proteinas compuesto por pequenas fibrillas entrelazadas de la proteina citoesqueletica tau anormalmente hiperfosforilada (P-tau). El Aβ es un pequeno polipeptido, de 40 a 42 aminoacidos de longitud en sus isoformas mayoritarias, generado tras el procesamiento de una proteina de transmembrana tipo I denominada precursor de la proteina amiloide o APP. El Aβ se genera tras el procesamiento secuencial del APP por las enzimas proteoliticas β-secretasa y γ–secretasa. La actividad γ-secretasa es llevada a cabo por un complejo proteico que procesa un gran numero de proteinas transmembrana tipo I con un corto domino intracelular, muchas de ellas de conocida importancia en la funcion neuronal. La enzima presenilina-1 (PS1) es el componente catalitico del complejo γ–secretasa.

Nuestro grupo ha demostrado previamente, mediante experimentos de co-inmunoprecipitacion reciproca, que AChE puede interaccionar con PS1. Ademas, AChE aparece como una proteina moduladora de los niveles de PS1. En modelos celulares, la sobreexpresion de AChE promueve aumentos de PS1, mientras que el silenciamiento de la expresion de la colinesterasa causa disminucion de PS1 en celulas transfectadas con siRNA de AChE. El estudio recogido en esta memoria se adentra en el mecanismo de dicha interaccion, analizando la influencia de las diferentes variantes y formas moleculares de AChE en los niveles de expresion de PS1. Demostramos que la modulacion de PS1 por AChE es llevada a cabo por mecanismo no colinergicos, y en concreto independientes de la capacidad catalitica de AChE, dado que mutantes inactivos de la proteina mantienen la capacidad de influenciar los niveles de PS1. Nuestros datos indican que AChE puede funcionar como un inhibidor de la γ-secretasa, y, lo que es mas importante, sugieren que la inhibicion de la actividad γ-secretasa puede promover, mediante un mecanismo compensatorio, el aumento de expresion de su componente activo, la PS1. En nuestros estudios tambien hemos re-analizado los niveles de expresion de AChE en extractos cerebrales de sujetos con EA; hasta ahora la inmensa mayoria de los estudios clasicos habian abordado tan solo los niveles de actividad enzimatica. Nuestro analisis mediante tecnicas de Western blotting e inmunohistoquimica indican que mientras los niveles de actividad estan disminuidos, los de proteina AChE aparecen preservados, lo que demuestra la existencia de un importante reservorio de proteina AChE no activa en el cerebro afectado por la patologia. El potencial papel y significado fisiopatologico de esta AChE inactiva en el cerebro de enfermos de EA requiere ser analizado, con mayor interes si cabe a la vista de la capacidad de AChE de influir sobre PS1 mediante interacciones proteina-proteina independientes de su actividad catalitica. Finalmente, hemos estudiado la influencia reciproca de PS1/ γ-secretasa sobre AChE, y en concreto la posibilidad de que la actividad secretasa participe del procesamiento de AChE.

La variante de AChE mayormente expresada en el cerebro humano es un tetramero de subunidades cataliticas de AChE (G4) anclada a la membrana mediante una subunidad estructural rica en prolina y denominada PRiMA, una proteina transmembrana de tipo I. Hemos demostrado que PS1 participa en el procesamiento de AChE, actuando sobre PRiMA y liberando un pequeno fragmento intracelular de la misma. Caracterizamos y localizamos dicho fragmento de PRiMA en el nucleo, lo que sugiere su potencial participacion en mecanismo de regulacion transcripcional, una posibilidad que abre una nueva via de estudio que puede resultar de importancia tanto en condiciones fisiologicas como patologicas. Una mayor comprension de las complejas inter-relaciones de PS1 y AChE puede ser de importancia no solo para avanzar en el conocimiento de los mecanismos fisiopatologicos afectados en la demencia, sino tambien para el desarrollo de nuevas y mejoradas estrategias terapeuticas para el tratamiento de la EA.