The role of SORLA in islet amyloid polypeptide transport and islet amyloid deposition

Abstract

Sorting-related receptor with type A repeats (SORLA) is a sorting receptor encoded by SORL1, a major risk gene for Alzheimer disease (AD). SORLA is protective against AD by preventing the accumulation of amyloid-beta peptides into amyloid plaque deposits in the brain. Similar to AD, amyloid is a pathological hallmark found in the pancreas of type 2 diabetes patients. The main amyloidogenic component in pancreatic islet is a small peptide hormone produced by the beta cell, called islet amyloid polypeptide (IAPP). However, the underlying mechanisms of islet amyloid formation remain unclear. Recent advances in single-cell transcriptomic analyses have revealed that SORLA transcript is also expressed in beta cells. Yet, the role of SORLA in islets has not been studied previously. Based on the established understanding of SORLA in amyloid formation in the brain, we postulated that it may function similarly in islet beta cells. Specifically, we hypothesized that SORLA regulates islet amyloid formation through mediating IAPP transport and turnover. To test this hypothesis, we first examined the effect of SORLA deficiency on islet amyloid formation, cell death and overall glucose homeostasis by comparing wildtype (WT) mice with animals carrying a targeted Sorl1 disruption (KO). Since mouse IAPP is non-amyloidogenic, SORLA WT and KO lines that overexpress a human IAPP (hIAPP) transgene were generated. The loss of SORLA significantly increased both the prevalence and severity of islet amyloid deposition in hIAPP transgenic mice compared with WT controls. Aggravated amyloid deposition was also accompanied with increased islet cell death in hIAPP/KO mice. However, when analyzed at 7 months of age, the increased amyloid burden had not affected overall glucose homeostasis or beta cell function. Next, we performed in vitro studies to elucidate the mechanism by which SORLA regulates IAPP and islet amyloid formation. Results from microscale thermophoresis showed that SORLA interacted more strongly with the precursor (proIAPP) than the mature form of IAPP. Its preference towards partially processed IAPP was further corroborated in cell studies in which SORLA mediated endocytosis of proIAPP, but not mature IAPP, delivering it to the endolysosomal degradation pathway. Altogether, studies in this dissertation have uncovered a novel role of SORLA in pancreatic islets, where SORLA protects against islet amyloid deposition and associated cell death, likely through clearance of extracellular proIAPP secreted by beta cells.

Der Sorting Related Receptor with A-type Repeats (SORLA) ist ein Sortierrezeptor, der von SORL1 kodiert wird, einem der Hauptrisikogene für die sporadische Alzheimer-Krankheit (AD). SORLA schützt vor Alzheimer, indem es die Akkumulation von Amyloid-beta-Peptiden in Amyloid-Plaque-Ablagerungen im Gehirn verhindert. Ähnlich wie bei AD ist Amyloid ein pathologisches Merkmal des Pankreas bei Patienten mit Typ-2-Diabetes. Die wichtigste amyloidogene Komponente in den Langerhans-Inselzellen des Pankreas ist ein kleines Peptidhormon, das von den Betazellen produziert wird und als islet amyloid polypeptide (IAPP) bezeichnet wird. Die Mechanismen, die der Bildung von Insel-Amyloid zugrunde liegen, sind jedoch nach wie vor unklar. Jüngste Fortschritte bei Einzelzell-Transkriptomanalysen haben gezeigt, dass das SORLA-Transkript auch in Betazellen zu finden ist. Die Rolle von SORLA in Langerhans-Inseln wurde jedoch bisher nicht untersucht. Auf der Grundlage der etablierten Rolle von SORLA bei der Amyloidbildung im Gehirn stellten wir die Hypothese auf, dass es in den Betazellen der Langerhans-Inseln eine ähnliche Funktion haben könnte. Insbesondere postulieren wir, dass SORLA die Amyloidbildung in Inselzellen durch die Kontrolle von IAPP-Transport und -Umsatz reguliert. Um unsere Hypothese zu testen, untersuchten wir zunächst die Auswirkungen eines SORLA-Defizits auf die Amyloidbildung in den Inselzellen, den Zelltod und die allgemeine Glukosehomöostase, indem wir Wildtyp-Mäuse (WT) mit Tieren verglichen, welche einen induzierten Sorl1 Gendefekt trugen (KO) Tieren. Da das IAPP der Maus nicht amyloidogen ist, wurden SORLA WT- und KO Mausstämme erzeugt, die ein humanes IAPP (hIAPP) Transgen überexprimierten. Wir konnten zeigen, dass der Verlust von SORLA sowohl die Prävalenz als auch den Schweregrad der Insel-Amyloid-Ablagerungen in hIAPP-transgenen Mäusen im Vergleich zu WT-Kontrollen deutlich erhöht. Die verstärkte Amyloidablagerung ging bei hIAPP/KO-Mäusen auch mit einem erhöhten Absterben der Inselzellen einher. Bei 7 Monate alten Tiere führte die erhöhte Amyloidbelastung jedoch weder zu einer Beeinträchtigung der Glukosehomöostase noch der Betazellfunktion. Als Nächstes untersuchten wir in in vitro Studien, durch welchen Mechanismus SORLA die Bildung von IAPP und Insel-Amyloid regulieren könnte. Mittels der Methode der microscale thermophoresis wurde gezeigt, dass SORLA stärker mit der IAPP-Vorstufe (proIAPP) als mit reifem IAPP interagiert. Die Präferenz von SORLA für teilweise prozessiertes IAPP wurde in Zellstudien bestätigt, in denen SORLA die Endozytose von proIAPP, aber nicht von reifem IAPP vermittelte und es so dem endolysosomalen Abbauweg zuführte. Insgesamt haben die Studien in dieser Dissertation eine neuartige Rolle von SORLA in den Langerhans-Inselzellen aufgedeckt. Hier schützt SORLA vor Insel-Amyloid-Ablagerungen und dem damit verbundenen Zelltod, wahrscheinlich durch Beseitigung von extrazellulärem proIAPP, das von Betazellen sezerniert wird.