The Promyelocytic Leukemia Protein (PML) regulates neural stem cell physiology and confers neuroprotection in a mouse model of Alzheimer’s disease pathology

Abstract

The Promyelocytic Leukemia Protein (PML) originally characterized as a tumor suppressor is the core organizer of the subnuclear particles, PML nuclear bodies, which regulate diverse biological properties such as gene transcription, cell cycle, DNA damage responses and apoptosis. In the nervous system, PML was shown to balance proliferation vs differentiation of neural progenitors and have a neuroprotective action during cerebral ischemia. PML has been implicated in the solubility of pathological aggregates in neurodegenerative diseases. However, the molecular and cellular pathways regulated by PML in neuronal cells and its impact on Alzheimer’s disease (AD) neurodegeneration remain unknown. To address this issue, we initially investigated the role of PML in neural stem cell (NSC) fate commitment, stress tolerance and mitochondria metabolism. Employing integrated proteomic and transcriptomic analyses we sought to reveal PML-dependent genes and pathways involved in the regulation of NSC functions and fate commitment. Our findings showed that PML-deficient cells exhibited increased mTOR signaling and protein translation, as well as impaired autophagy and proteasome activity, leading to enhanced formation of aggregates and stress-induced cell death. Furthermore, the ablation of PML disrupted mitochondrial functions, affecting reactive oxygen species, membrane potential, and mitochondrial morphology, processes that are essential for NSC self-renewal, expansion, neurogenesis and tissue homeostasis. We attributed these abnormalities to decreased PGC1α expression and PPARγ activity, that were functionally restored using the PPAR agonist, rosiglitasone. Next, we investigated the role of PML in neuroinflammation and neurodegeneration, employing in vitro and in vivo mouse models for Alzheimer’s disease. To examine the role of PML in neuroinflammation we used intracerebroventricular (ICV) administration of oligomeric amyloid beta 1-42 (oAβ1-42), in WT, Pml-/- mice and primary microglia cultures. To explore the role of PML in AD pathology we employed phenotypic, transcriptomic and behavioral analyses of WT, Pml-/-, 5xFAD and 5xFAD Pml-/- mice. We found that Pml-/- mice displayed reduced recruitment and activation of microglia in the vicinity of οΑβ1-42 injection, accompanied by deregulated expression of disease-associated microglia (DAM) genes. Consistently, Pml-/- primary microglial cultures exhibited reduced phagocytosis, activation, viability and impaired cytokine responsiveness following β-amyloid challenges. PML depletion in 5xFAD mice accelerated Aβ accumulation, impaired microglial activation, lysosomal acidification and recruitment to amyloid plaques while enhanced astrocyte reactivity and neuronal degeneration. Hippocampal transcriptomic analyses revealed in the absence of PML, downregulated pathways related to cell migration, axonogenesis, synapse organization and peroxisomal functions. 5xFAD Pml-/- mice showed suppression of immune response genes and deregulated expression of DAM genes. PML depletion increased hippocampus-dependent behavioral deficits in the context of Aβ pathology, highlighting a role for PML in maintaining cognitive function. Collectively, our findings identify PML as an important regulator for neuronal survival, microglial homeostasis and neuroprotective functions in amyloid pathology.

Η Πρωτεΐνη της Προμυελοκυτταρικής Λευχαιμίας (PML), η οποία αρχικά χαρακτηρίστηκε ως ογκοκαταστολέας, αποτελεί τον κεντρικό οργανωτή των υποπυρηνικών δομών PML-nuclear bodies, τα οποία ρυθμίζουν ποικίλες κυτταρικές διεργασίες, όπως τη μεταγραφή, τoν κυτταρικό κύκλο, τις DNA damage αποκρίσεις και την απόπτωση. Στο νευρικό σύστημα, η PML έχει αποδειχθεί ότι εξισορροπεί τον πολλαπλασιασμό και τη διαφοροποίησης των εμβρυικών νευρικών βλαστοκυττάρων, ενώ ασκεί νευροπροστατευτική δράση σε καταστάσεις εγκεφαλική ισχαιμία. Παράλληλα, σε νευροεκφυλιστικές διαταραχές εμπλέκεται στη ρύθμισης της αποικοδόμησης δισδιάλυτων παθολογικών πρωτεϊνών. Ωστόσο, οι μοριακοί μηχανισμοί μέσω των οποίων η PML ρυθμίζει τη λειτουργία των νευρικών κυττάρων και η συμβολή της στο νευροεκφυλισμό της νόσου Αλτσχάιμερ (ΝΑ), παραμένουν ανεξιχνίαστα. Στη παρούσα μελέτη διερευνήσαμε τον ρόλο της πρωτεΐνης PML στη κυτταρική τύχη νευρικών βλαστοκυττάρων, την αντοχή τους σε κυτταρικό στρες και τη μιτοχονδριακή λειτουργία, αξιοποιώντας πρωτεωμικές και μεταγραφωματικές προσεγγίσεις. Διαπιστώσαμε ότι η απαλοιφή της PML σε νευρικά βλαστοκύτταρα οδηγεί σε σημαντική αύξηση της σηματοδότησης mTOR και των μηχανισμών μετάφρασης πρωτεϊνών. Επιπλέον, παρατηρήσαμε ότι τα Pml-/- κύτταρα παρουσίασαν μειωμένη αυτοφαγική ροή και εξασθενημένη λειτουργία του πρωτεασώματος. Οι διαταραχές αυτές προκάλεσαν αυξημένη σχηματισμό δυσδιάλυτων πρωτεϊνικών συσσωματωμάτων και αυξημένη ευαισθησία σε κυτταρικό θάνατο επαγόμενο από στρες. Επίσης, η απαλοιφή της PML επηρεάζει σημαντικά τη μιτοχονδριακή λειτουργία, προάγοντας την παραγωγή δραστικών ριζών οξυγόνου (ROS), τη μείωση μιτοχονδριακού μεμβρανικού δυναμικού καθώς και αλλοιώσεις στη μορφολογία μιτοχονδρίων. Οι παραπάνω διαταραχές αποδίδονται στη μειωμένη έκφραση της πρωτεΐνης PGC1α και στη επακόλουθη μείωση της σηματοδότησης PPARγ, καθώς παρατηρήσαμε ότι αποκαθίστανται με τη χρήση ενός PPARγ αγωνιστή, της ροσιγλιταζόνης. Στη συνέχεια, εξετάσαμε τον ρόλο της πρωτεΐνης PML στη νευροφλεγμονή και στο νευροεκφυλισμό, χρησιμοποιώντας in vitro και in vivo μοντέλα ποντικών για τη ΝΑ. Χρησιμοποιώντας ενδοκρανιακές εγχύσεις ολιγομερών πεπτιδίων β-αμυλοειδούς 1–42 σε ποντίκια αγρίου τύπου και Pml-/- , και καλλιέργειες πρωτογενούς μικρογλοίας, διαπιστώσαμε ότι η έλλειψη της PML οδηγεί σε μειωμένη προσέλκυση, ενεργοποίηση και φαγοκυτταρική ικανότητα της μικρογλοίας καθώς και εξασθενημένη παραγωγή κυτοκινών. Σε διαγονιδιακά ποντίκια 5xFAD, η απαλοιφή της PML οδηγεί σε αυξημένη συσσώρευση αμυλοειδικών πλακών στη περιοχή του ιπποκάμπου, μειωμένες αποκρίσεις μικρογλοίας, ενώ παράλληλα παρατηρήθηκε αυξημένη ενεργοποίηση αστροκυττάρων και εντονότερος νευροεκφυλισμός. Η μεταγραφωματική ανάλυση στην περιοχή του ιπποκάμπου αποκάλυψε καταστολή μονοπατιών που σχετίζονται με τη μετανάστευση κυττάρων, την αξονογένεση και τον σχηματισμό συνάψεων καθώς και απορρύθμιση της μεταγραφικής υπογραφής της παθολογικής μικρογλοίας (DAM). Επιπλέον παρατηρήσαμε ότι η έλλειψη της πρωτεΐνης PML επιδείνωσε τις συμπεριφορικές λειτουργίες που συντονίζονται από τον ιππόκαμπο, αναδεικνύοντας τον ρόλο της πρωτεΐνης PML στη διατήρηση ανώτερων γνωσιακών λειτουργιών. Συνολικά, τα αποτελέσματα μας αναδεικνύουν την πρωτεΐνη PML ως έναν σημαντικό ρυθμιστή της κυτταρικής ομοιόστασης, της επιβίωσης των νευρικών κυττάρων και των νευροπροστατευτικών δράσεων στην ΝΑ.