FAIM-L participation in Alzheimer’s Disease and other tauopathies: Deciphering the role of FAIM-L in tau ubiquitination, synaptic maintenance, and memory function during the development of tau pathology

Abstract

La Malaltia d’Alzheimer (MA) és el tipus de demència més prevalent a nivell mundial i un dels trastorns més rellevants dins un grup de malalties neurodegeneratives anomenades tauopaties. Aquestes malalties es caracteritzen per la modificació aberrant i acumulació progressiva de la proteïna tau. Tau va ser descrita inicialment com a estabilitzadora de microtúbuls, tot i que també participa en múltiples processos cel·lulars, inclosos la reparació de l’ADN, la plasticitat sinàptica i el manteniment de la funció mitocondrial. Per això, a més de ser un element essencial per a l’homeòstasi cel·lular, tau també pot desencadenar el mal funcionament i la pèrdua neuronal associats a aquest tipus de malalties, especialment a la MA. El nostre grup s’ha centrat en l’estudi de la isoforma llarga neuroespecífica de la Molècula Inhibidora de l’Apoptosi Fas, FAIM-L. Hem estat pioners a descriure funcions úniques d’aquesta proteïna basades en la seva capacitat d’inhibir certes funcions no apoptòtiques de la caspasa-3. Amb això, el nostre grup va ser també el primer a vincular FAIM-L amb la neurodegeneració, en descobrir que es trobava disminuïda tant en pacients amb la MA com en un model de ratolí d’aquesta malaltia. FAIM-L està implicat en el correcte control de l’apoptosi i dels processos sinàptics, vam proposar que la seva pèrdua podia estar afavorint la progressió de la MA. Per explorar aquesta hipòtesi, el nostre objectiu va ser dilucidar els mecanismes moleculars involucrats en la reducció de FAIM-L, les conseqüències de la seva disminució i les implicacions funcionals de la restauració dels nivells de FAIM-L in vivo mitjançant l’ús d’injeccions virals amb vectors adeno-associats. Amb tot això, volem proposar FAIM-L com un element terapèutic potencial per a la MA. En aquest treball, vam observar que la reducció de FAIM-L estava directament relacionada amb la patologia tau, mentre que no depenia de la patologia β-amiloide. A més, utilitzant el model murí de Demència Fronto-temporal lligada a Parkinsonisme (FTDP-17), el ratolí PS19, vam comprovar que aquesta disminució es produïa prèviament al desenvolupament d’altres alteracions patològiques com el deteriorament sinàptic i la gliosi. A més, vam poder veure que estava associada a una disminució dels nivells de XIAP i a un augment anòmal de la ubiquitinació global. Aquesta reducció primerenca de FAIM-L al curs de la patologia ofereix una nova finestra terapèutica que està clarament avalada pels resultats obtinguts després de la modulació de FAIM-L in vivo. Els nostres nous descobriments van mostrar que la restauració de l’expressió de FAIM-L a l’hipocamp dels ratolins PS19, va evitar per complet la pèrdua d’espines dendrítiques i va ajudar a mantenir la integritat sinàptica mitjançant la prevenció de la pèrdua de les proteïnes PSD95 i mGluR2 al compartiment post-sinàptic. En conseqüència, la sobre-expressió de FAIM-L va prevenir l’atròfia cerebral i el deteriorament de l’aprenentatge i la memòria al nostre model. Addicionalment, vam poder reforçar la relació entre FAIM-L i la patologia de tau. Vam poder descriure que la reducció de FAIM-L depèn de l’augment dels nivells de fosforilació de tau. A més, vam reportar una connexió funcional entre aquestes dues proteïnes. En aquest treball, demostrem, per primer cop, que FAIM-L interactua amb les isoformes wild-type i mutant de tau i evita la seva ubiquitinació. En resum, els nostres resultats confirmen la implicació de FAIM-L a l’EA però també l’estableixen com un element essencial per a la supervivència neuronal, el manteniment sinàptic i la memòria. A més, aquestes troballes permeten suggerir que FAIM-L confereix una protecció primerenca davant de les alteracions associades a tau. Per tant, el situen com a diana potencial per a abordatges terapèutics, per a l’EA i possiblement per a FTDP-17 i la resta de tauopaties.

La enfermedad de Alzheimer (EA) es el tipo de demencia más prevalente a nivel mundial y uno de los trastornos más relevantes dentro de un grupo de enfermedades neurodegenerativas denominadas tauopatías. Estas enfermedades se caracterizan por la modificación aberrante y acumulación progresiva de la proteína tau. Esta proteína, descrita inicialmente como estabilizadora de microtúbulos, participa también en múltiples procesos celulares, incluidos la reparación del ADN, la plasticidad sináptica y el mantenimiento de la función mitocondrial. Por ello, además de ser un elemento esencial para la homeostasis celular, tau también puede desencadenar el mal funcionamiento y la pérdida neuronal asociados a este tipo de enfermedades, especialmente a la EA. Nuestro grupo se ha centrado en el estudio de la isoforma larga neuroespecífica de la Molécula Inhibidora de la Apoptosis Fas, FAIM-L. Además, hemos sido pioneros en describir funciones únicas de esta proteína basadas en su capacidad de inhibir ciertas funciones no apoptóticas de la caspasa-3. Junto a esto, nuestro grupo fue también el primero en vincular FAIM-L con la neurodegeneración, al encontrar que se encuentra disminuido tanto en pacientes con EA como en un modelo de ratón de dicha enfermedad. Dado que FAIM-L está implicado en el correcto control de la apoptosis y los procesos sinápticos, proponemos que su pérdida puede estar favoreciendo la progresión de la EA. Para explorar esta hipótesis, nuestro objetivo fue dilucidar los mecanismos moleculares involucrados en la reducción de FAIM-L y las consecuencias de su disminución. Además, hemos querido analizar las implicaciones funcionales de la restauración de los niveles de FAIM-L in vivo mediante el uso de inyecciones virales con vectores adeno-asociados. Con todo ello, nos gustaría proponer FAIM-L como un potencial diana terapéutica para la EA. En este trabajo, observamos que la reducción de FAIM-L estaba directamente relacionada con la patología tau mientras que no dependía directamente de la patología β-amiloide. Además, utilizando el modelo murino de Demencia Frontotemporal ligada a Parkinsonismo (FTDP-17), el ratón PS19, comprobamos que esta disminución se producía previamente al desarrollo de otras alteraciones patológicas como el deterioro sináptico y la gliosis. Además, pudimos ver que estaba asociada a una disminución de los niveles de XIAP y a un aumento anómalo de la ubiquitinación global. Esta reducción temprana de FAIM-L en el curso de la patología ofrece una nueva ventana terapéutica que está claramente avalada por los resultados obtenidos tras la modulación de FAIM-L in vivo. Nuestros nuevos hallazgos mostraron que la restauración de la expresión de FAIM-L en el hipocampo de los ratones PS19, evitó por completo la pérdida de espinas dendríticas y ayudó a mantener la integridad sináptica mediante la prevención de la pérdida de las proteínas PSD95 y mGluR2 en el compartimento postsináptico. En consecuencia, la sobreexpresión de FAIM-L previno la atrofia cerebral y el deterioro del aprendizaje y la memoria en nuestro modelo. Adicionalmente, pudimos reforzar a relación entre FAIM-L y la patología de tau. Pudimos describir que la reducción de FAIM-L depende del aumento en los niveles de fosforilación de tau. Además, hemos podido reportar una conexión funcional entre estas dos proteínas. En este trabajo, demostramos, por primera vez, que FAIM-L interactúa con las isoformas wild-type y mutante de tau y evita su ubiquitinación. En resumen, nuestros resultados confirman la implicación de FAIM-L en la EA pero también lo establecen como un elemento esencial para la supervivencia neuronal, el mantenimiento sináptico y la memoria. Además, estos hallazgos permiten sugerir que FAIM-L confiere una protección temprana frente a las alteraciones asociadas a tau. Por tanto, lo sitúan como una diana potencial para abordajes terapéuticos, no solo para la EA sino posiblemente para FTDP-17 y el resto de tauopatías.

Alzheimer’s disease (AD) is the most prevalent type of dementia worldwide and one of the most relevant disorders among a group of neurodegenerative diseases named tauopathies. These diseases are characterized by the aberrant modification and progressive accumulation of the protein tau. Tau protein, initially described to stabilize microtubules, participates in other multiple cellular processes, including DNA repair, synaptic plasticity, and mitochondrial maintenance. Consequently, it is an essential protein for cellular homeostasis but also can become the trigger of the neuronal failure and loss associated to this type of diseases, especially to AD. Our group has been centred in the study of the neuro-specific long isoform of the Fas Apoptotic Inhibitory Molecule, FAIM-L. Furthermore, we have been pioneers in describing unique roles of this protein through its capacity to inhibit certain non-apoptotic functions of caspase-3. Importantly, our group was the first in linking FAIM-L to neurodegeneration by finding it decreased in both AD patients and in a mouse model of the disease. Since FAIM-L is implicated in the correct control of apoptosis and synaptic processes, we propose that its loss may be promoting the progression of AD. To explore this hypothesis, we aimed to elucidate the molecular mechanisms involved in FAIM-L reduction and the consequences of its decrease. Additionally, we have analysed the functional implications of FAIM-L levels restoration using in vivo adeno-associated viral injections. Therefore, we would like to propose FAIM-L as a potential therapeutical target for AD. Importantly, we found that the reduction of FAIM-L was directly linked to tau pathology and was not directly dependent on amyloid-β pathology. Also, by using the Frontotemporal Dementia linked to Parkinsonism (FTDP-17) mouse model, the PS19 mice, we proved that this decrease occurs before other pathological alterations such as synaptic impairment and reactive gliosis and that it is associated to a decrease in XIAP levels and an anomalous increase in global ubiquitination. This early reduction of FAIM-L in the course of the pathology offers a new therapeutic window that is clearly supported by the results obtained after FAIM-L modulation in vivo. Our novel findings show that FAIM-L expression restoration in the hippocampus of the PS19 mice completely avoided dendritic spine loss and helped maintaining synaptic integrity by preventing PSD95 and mGluR2 losing the postsynaptic compartment. Consequently, FAIM-L overexpression prevented brain atrophy as well as learning and memory impairment in our model. The relationship between FAIM-L and tau pathology is reinforced by our in vitro experiments in which we were able to describe, for the first time, that FAIM-L reduction depends on the increase in phosphorylation levels of tau and, indeed, to report a functional connection between these two proteins. In this work, we also demonstrate that FAIM-L interacts with both wild-type and mutant tau isoforms and avoids its ubiquitination. In summary, our results confirm FAIM-L implication in AD but also settle it an essential element for neuronal survival, synaptic maintenance and cognition. Also, these findings allow to suggest that FAIM-L confers early protection from tau-associated alterations and place it as a potential target for therapeutic approaches, not only for AD but possibly for FTDP-17 and the rest of tauopathies.