Role of SORLA in neuronal insulin signaling

Alzheimer’s disease (AD) is the most common cause of age-related dementia, characterized by cortical shrinkage and brain deposition of amyloid plaques and neurofibrillary tangles. Metabolic complications, such as type 2 diabetes (T2D), are a major risk factor for developing AD. In fact, defects in neuronal insulin signaling are central to both AD and T2D, although the causal mechanisms linking both disease entities are not well understood. Recently, a sorting receptor termed sorting related receptor with A-type repeats (SORLA) has been shown to increase the cell surface expression of the insulin receptor (IR) in adipocytes, thereby enhancing the cellular response to insulin signals. Interestingly, SORLA has also been recognized as a major genetic risk factor for AD. However, a possible role for SORLA in brain insulin signaling and the relevance of this activity in context of AD has not been explored so far. As SORLA facilitates insulin signaling in adipocytes, I hypothesized that SORLA may also control IR activity in neurons, thereby impacting both neuronal glucose metabolism and amyloidogenic processes. To test my hypothesis, initially I evaluated insulin signaling in primary neurons cultured from wildtype (WT) and SORLA deficient (KO) mice. In line with my hypothesis, SORLA deficiency in primary neurons resulted in a decrease in total IR levels and insulin signaling strength, although neuronal glucose uptake was not impacted. To query the role of SORLA in neuronal insulin signaling in vivo, I next generated a mouse line carrying a neuron-specific knockout of SORLA (cKO) mice. Unlike in primary neurons where SORLA facilitated insulin signaling, neuronal loss of SORLA in cKO mice brain did not impact brain insulin signaling and glucose uptake globally. Still, neuronal SORLA deficiency led to a decrease in body weight due to reduced muscle mass. Also, cKO mice showed a higher insulin sensitivity in stress tests, indicating a function for neuronal SORLA in central control of peripheral insulin sensitivity. To understand the relevance of SORLA-dependent stimulation of neuronal insulin signaling in the context of AD, I tested the expression of amyloid degrading enzymes in primary neuronal cultures and in the murine brains. Interestingly, transcript and protein levels of insulin degrading enzyme (IDE), a major amyloid degrading enzyme, were significantly lower in SORLA-deficient neurons, possibly impacting amyloid levels in these cultures. Acute and chronic pharmacological inhibition of key insulin signaling molecules did not affect IDE levels in neurons, implicating hormone-independent pathways in SORLA-mediated control of IDE expression. Taken together, my results indicated that SORLA function controls neuronal insulin signaling, a mechanism possibly involved in central control of the peripheral metabolism. Additionally, I uncovered IDE as a target of SORLA-dependent expression control, a process linking receptor action in metabolism and neurodegeneration. Further studies in cell and mouse models should aim at elucidating the mode of SORLA action in functional expression of IDE, and its impact on amyloid burden in the AD brain.Die Alzheimer Erkrankung ist die häufigste Ursache für altersbedingte Demenz. Die Krankheit ist durch eine Schrumpfung der Hirnrinde und durch Ablagerungen (Plaques) von Amyloid-beta Peptiden und neurofibrillären Tangles im Gehirn gekennzeichnet. Stoffwechselkomplikationen wie zum Beispiel Typ-2-Diabetes (T2D) sind wichtige Risikofaktoren für die Entwicklung der Alzheimer Erkrankung. Tatsächlich sind Defekte in der neuronalen Insulinsignalübertragung sowohl bei der Alzheimer Erkrankung als auch bei T2D von zentraler Bedeutung, auch wenn die kausalen Mechanismen, die beide Krankheiten miteinander verbinden, nicht gut verstanden sind. Kürzlich wurde gezeigt, dass ein Sortierrezeptor, der als Sorting Related Receptor with A-type Repeats (SORLA) bezeichnet wird, die Zelloberflächenexpression des Insulinrezeptors (IR) in Adipozyten erhöht und dadurch die zelluläre Reaktion auf Insulinsignale verstärkt. Interessanterweise stellt SORLA auch ein wichtiger genetischer Risikofaktor für Alzheimer dar. Eine mögliche Rolle von SORLA bei der Insulinsignalübertragung im Gehirn und die Bedeutung dieser Aktivität im Zusammenhang mit Alzheimer ist jedoch bisher nicht untersucht worden. Da SORLA die Insulinsignalübertragung in Adipozyten erleichtert, stellte ich die Hypothese auf, dass SORLA auch die IR-Aktivität in Neuronen kontrolliert und dadurch sowohl den neuronalen Glukosestoffwechsel als auch amyloidogene Prozesse beeinflussen könnte. Um meine Hypothese zu testen, untersuchte ich zunächst die Insulinsignalkaskade in primären Neuronen, die von Wildtyp- (WT) und SORLA-defizienten (KO) Mäusen generiert wurden. In Übereinstimmung mit meiner Hypothese führte der SORLA-Mangel in primären Neuronen zu einem Rückgang der gesamten IR-Spiegel und zu einer Abschwächung der Insulinsignale, obwohl die neuronale Glukoseaufnahme nicht beeinträchtigt wurde. Um die Rolle von SORLA bei dem neuronalen Insulinsignalweg in vivo zu untersuchen, habe ich als nächstes eine Mauslinie erzeugt, die einen neuronenspezifischen Knockout von SORLA (cKO) aufweist. Im Gegensatz zu primären Neuronen, in denen SORLA den Insulinsignalweg erleichtert, hatte der neuronale Verlust von SORLA im Gehirn von cKO-Mäusen keine Auswirkungen auf die Insulinübertragung in die Zelle und die Glukoseaufnahme im Gehirn. Dennoch führte der neuronale SORLA-Mangel zueiner Abnahme des Körpergewichts aufgrund einer geringeren Muskelmasse. Außerdem zeigten cKO-Mäuse eine höhere Insulinsensitivität in peripheren Stresstests, was auf eine Regulation mittels neuronalem SORLA auf die periphere Insulinsensitivität hinweist. Um die Bedeutung der SORLA-abhängigen Stimulierung des neuroarfnalen Insulinsignalwegs im Zusammenhang mit Alzheimer zu verstehen, habe ich die Expression von Amyloid-abbauenden Enzymen in primären neuronalen Kulturen und im Gehirn von Mäusen untersucht. Interessanterweise waren die Transkript- und Proteinkonzentrationen des Insulin-abbauenden Enzyms (IDE), welches auch ein wichtiges Amyloid-abbauendes Enzyms ist, in SORLA-defizienten Neuronen deutlich niedriger. Dies könnte sich möglicherweise auf die Amyloidkonzentrationen in diesen Kulturen auswirken. Die akute und chronische pharmakologische Hemmung wichtiger Insulin-Signalmoleküle hatte keinen Einfluss auf die IDE-Spiegel in den Neuronen, was auf hormonunabhängige Wege bei der SORLA-vermittelten Kontrolle der IDE-Expression hindeutet. Insgesamt zeigen meine Ergebnisse, dass die SORLA-Funktion den neuronalen Insulinsignalweg kontrolliert, ein Mechanismus, der möglicherweise auch den peripheren Stoffwechsel kontrolliert. Darüber hinaus habe ich IDE als Ziel der SORLA-abhängigen Expressionskontrolle aufgedeckt, ein Prozess, der möglicherweise eine Verbindung zwischen der Rezeptorwirkung im Stoffwechsel und der Neurodegeneration herstellt. Weitere Studien in Zell- und Mausmodellen sollten darauf abzielen, die Wirkungsweise von SORLA bei der funktionellen Expression von IDE und seine Auswirkungen auf die Amyloidbelastung im Gehirn von Alzheimer Patienten zu klären