Alzheimer´s disease (AD), one of the most prevalent neurodegenerative disorders, is characterized by the accumulation of amyloid-β as extracellular plaques. Nonetheless, the soluble forms of Aβ are thought to play a major role in driving disease progression, for example by promoting inflammatory processes. Furthermore, evidence suggests defects of protein degradation systems, in particular dysregulations in the ubiquitin proteasome system, play a pathogenic role. Proteotoxic stress and inflammation are associated with the upregulation of the specialized isoform immunoproteasome. Using organotypic brain slice cultures (OBSCs), we aimed to elucidate Aβ oligomer (AβO)-induced changes in proteasome networks and the role of the immunoproteasome. We further planned to compare our results to AD mouse models with established plaque pathology and aimed to interfere with signaling pathways involved in proteasome regulation. Importantly, in OBSCs we were able to demonstrate that exposure to AβOs resulted in a significant decrease of active β-subunits of the proteasome, upregulation of soluble Ub-conjugates and moderate increase of immunoproteasome subunit LMP7. Proteasome impairment was accompanied by activation of mTOR signaling and an increase in activated microglia. Interestingly, in the absence of the immunoproteasome, AβOs did not alter the amount of active β-subunits or the number of activated microglia but changed the characteristics of astrocytes and induced the autophagy-marker LC3b-II. In contrast, in aged APP/PS1 mice we detected a significant increase in proteasome activity as well as the upregulation of LMP7. Immunoproteasome deficient APP/PS1 mice, however, displayed significant lower proteasome activity levels compared to age matched WT and APP/PS1 mice. In 5xFAD mice we interfered with mTOR signaling with rapamycin that surprisingly resulted in a decrease of active proteasome β-subunits probably due to already established Aβ plaques. Overall, we found that the immunoproteasome indeed plays a significant role in AD pathogenesis and might be a suitable target for therapy. Our results further indicate that AβOs alter glial activities dependent on the presence of the immunoproteasome. Moreover, we demonstrated that the impact on proteasome activity is dependent on the time point and model used.
Die Alzheimer-Krankheit, eine der häufigsten neurodegenerativen Erkrankungen, ist durch die Anhäufung von β-Amyloid in Form von extrazellulären Plaques charakterisiert. Dennoch nimmt man heute an, dass die lösliche Form von Aβ eine bedeutende Rolle beim Fortschreiten der Alzheimer Erkrankung spielt. Darüber hinaus stehen defekte Protein-Abbauwege im Verdacht, insbesondere das Ubiquitin Proteasom System (UPS). Proteotoxischer Stress und Entzündungsprozesse werden mit der Bildung einer spezialisierten Isoform, dem Immunoproteasom (iP), in Verbindung gebracht. Mit organotypischen Hirnschnitten möchten wir die durch Aβ Oligomere (AβOs) induzierten Veränderungen im Proteasom System und die Rolle des iPs untersuchen. Diese Ergebnisse sollen dann mit Erkenntnissen aus Alzheimer Mausmodellen verglichen werden, die bereits eine Plaque-Pathologie aufweisen und bei denen mit Inhibitoren in Proteasom-regulierenden Signalwegen eingegriffen wurde. Unsere Daten haben bewiesen, dass AβOs eine signifikante Verringerung der aktiven β-Untereinheiten des Proteasoms, eine Anreicherung löslicher Ub-Konjugate und die moderate Hochregulierung der iP-Untereinheit LMP7 bewirken. Die Verminderung der Proteasom-Aktivität resultierte in einer Aktivierung des mTOR-Signalwegs und einer Erhöhung der Anzahl aktivierter Mikroglia. Interessanterweise hatten AβOs bei Abwesenheit vom iP keine Veränderung der aktiven β-Untereinheiten oder Mikroglia zur Folge. Stattdessen haben sich die Eigenschaften der Astrozyten verändert und Autophagy wurde aktiviert. Im Gegensatz zu den ex-vivo Daten wurden in APP/PS1 Mäusen im Vergleich zum Wildtyp eine Erhöhung der Proteasom-Aktivität sowie die signifikante Erhöhung der iP-Menge detektiert. Die Inhibierung des mTOR Signalwegs durch Rapamycin hatte in 5xFAD Mäusen überraschenderweise eine Verringerung der aktiven Proteasom-Untereinheiten zur Folge, möglichweise durch die bereits bestehende Plaque-Pathologie. Zusammenfassend haben wir nachgewiesen, dass das iP eine entscheidende Rolle bei der Alzheimer Pathologie spielt und ein mögliches Ziel für therapeutische Ansätze darstellt. Unsere Ergebnisse zeigen ferner, dass AβOs - abhängig vom Vorhandensein des iPs - die Aktivität von Gliazellen beeinflussen. Außerdem wurde deutlich, dass die Effekte auf das UPS vom Fortschritt der Erkrankung und damit dem Aggregationszustand von Aβ abhängig sind.
