The effect of apolipoprotein E isoforms and sortilin in brain lipid homeostasis and Alzheimer’s disease

Abstract

Alzheimer’s disease (AD) is an age-related neurodegenerative disorder that affects millions of patients worldwide. The gene encoding various isoforms of the brain lipid carrier apolipoprotein (APO) E is the most important genetic risk factor for the sporadic form of AD suggesting an important contribution of brain lipid metabolism to neurodegenerative processes. However, the mechanism whereby brain lipid homeostasis may affect brain health and disease, and the isoform-specific role of APOE in this process remains highly controversial. In my thesis, I focused on the functional characterization of sortilin, a neuronal clearance receptor for APOE. Specifically, I hypothesized that sortilin may interact with apoE3 to safeguard a protective brain lipid metabolism, and that such neuroprotective lipid profile may be lost in the presence of apoE4, the AD risk bearing variant of the lipid carrier. To test my hypothesis, I performed comparative analyses of lipid profiles in the brain of mouse models with targeted replacement of murine Apoe with either human apoE3 or apoE4. In addition, these mice were either wildtype or genetically deficient for sortilin. In my studies, I identified perturbation in brain levels of docosahexaenoic acids (DHA), the most common polyunsaturated fatty acid (PUFA), as well as in endocannabinoids (eCBs), fatty acids-based neurotransmitters as a consequence of the APOE and sortilin genotypes. I identified the underlying molecular mechanism by showing that sortilin binds and stabilizes the fatty acid binding protein 7 (FABP7), an intracellular carrier for PUFA and eCBs. FABP7 facilitates the neuronal metabolism and activity of these lipids through their action on the PPAR family of nuclear hormone receptors. This functional interaction of sortilin and FABP7 in lipid metabolism requires the presence of apoE3. Loss of sortilin in apoE3 mice impairs sorting and stability of FABP7 and compromises its action in neuronal PUFA and eCB homeostasis, resulting in a pro-inflammatory state. Similar detrimental effects are seen in the presence of apoE4 that disrupts the ability of sortilin to direct intracellular sorting and proper activity of FABP7. Taken together, my investigations have identified a unique pathway involving sortilin as well as carriers for extracellular and intracellular transport of lipids, namely apoE3 and FABP7 that control the anti-inflammatory metabolism of PUFA and eCBs, and how this pathway may support the functional integrity of the brain through the action of PPARs. My findings emphasize the relevance of lipids for the functional integrity of the human brain, and why aberrant alterations in this biological system may contribute to the risk of AD in carriers of the apoE4 genotype.

Die Alzheimer Krankheit ist eine altersbedingte neurodegenerative Erkrankung, die Millionen von Patienten betrifft. Der wichtigste genetische Risikofaktor für die sporadische Form der Alzheimer Krankheit ist das Lipidtransportprotein Apolipoprotein E (APOE), welches in verschiedenen Isoformen beim Menschen vorkommt. Obwohl APOE essentiell für den Lipidstoffwechsel und für neurodegenerative Prozesse im Gehirn scheint, ist seine Funktionsweise und seine isoform-spezifische Rolle bei der Alzheimer Krankheit immer noch höchst umstritten. In meiner Doktorarbeit habe ich mich auf die funktionelle Charakterisierung von Sortilin, einem neuronalen Rezeptor für APOE fokussiert. Insbesondere habe ich die Frage untersucht, ob eine Interaktion von Sortilin mit APOE3 einen protektiven Lipidstoffwechsel im Gehirn gewährleistet und ob eine solche neuroprotektive Funktion des Rezeptors bei der Risikovariante APOE4 nicht gegeben ist. Um meine Hypothese zu testen, habe ich vergleichende Analysen der Lipidprofile im Gehirn von Mausmodellen durchgeführt, welche die menschlichen APOE Varianten APOE3 oder APOE4 ausbilden. Darüber hinaus waren diese Mäuse im Bezug auf Sortilin entweder wildtypisch oder gendefizient. In meinen vergleichenden Studien der Lipide im Gehirn meiner vier Mausmodelle identifizierte ich Veränderungen im Stoffwechsel von Docosahexaensäure (DHA), der häufigsten mehrfach ungesättigten Fettsäure (PUFA) sowie in Endocannabinoiden (eCBs), fettsäurebasierten Neurotransmittern in Abhängigkeit von APOE- und Sortilin-Genotyp. Ich konnte den molekularen Mechanismus, der dieser Veränderung zu Grunde liegt, weiter aufklären und zeigen, dass Sortilin das Fettsäure-Bindeprotein 7 (FABP7) bindet und stabilisiert. FABP7 ist der intrazelluläre Transportfaktor für PUFA und eCBs und steuert den neuronalen Metabolismus und die Aktivität dieser Lipide. Insbesondere kontrolliert FABP7 die Interaktion der eCBs mit nukleären Hormonrezeptoren der PPAR Genfamilie. Die Liganden induzierte Aktivierung dieser Rezeptoren bedingt ein entzündungshemmendes Genexpressionsprofil im Gehirn. Diese funktionelle Interaktion von Sortilin und FABP7 im entzündungshemmenden Fettstoffwechsel von Neuronen verlangt die Anwesenheit von APOE3. Der Verlust von Sortilin bei APOE3-Mäusen stört die korrekte intrazelluläre Sortierung und die Stabilität von FABP7 und unterbricht das neuronale PUFA- und eCB-Gleichgewicht. Letzendlich führen diese Störungen zu einem Verlust neuroprotektiver Aktivitäten der PPARs und bedingen einen pro-inflammatorischen Zustand des Gehirns. Ähnliche pathologische Auswirkungen zeigten sich auch in Anwesenheit von APOE4. Anders als bei der Interaktion mit APOE3, führt die Bindung von APOE4 an Sortilin zu einer fehlerhaften Akkumulation des Rezeptors im Endozytoseweg der Zellen und zum Verlust seiner FABP7 Interaktion. Zusammenfassend haben meine Untersuchungen einen neuartigen zellulären Mechanismus im Lipidstoffwechel des Gehirns aufgedeckt, der die Wirkungsweise von APOE4 als Hochrisikofaktor der Alzheimer Krankheit miterklären könnte. Dieser Stoffwechselweg umfasst die Interaktion des neuronal Rezeptors Sortilin mit extrazellulären (APOE) und intrazellulären (FABP7) Transportproteinen für PUFAs. Dieser Stoffwechselweg ermöglicht die entzündungshemmende Wirkung von PUFA und eCBs über PPARs im Gehirn. Dieser neuroprotektive Stoffwechselweg wird durch die Anwesenheit von APOE4 gestört, da es die Funktionsweise von Sortilin blockiert. Zusammengefasst unterstützen meine Ergebnisse die Bedeutung des neuronalen Lipidstoffwechsels für die funktionelle Integrität des menschlichen Gehirns und geben eine mögliche Erklärung für Störungen des Lipidstoffwechsels als Ursache für das Risiko von Morbus Alzheimer bei Trägern des APOE4-Genotyps.