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Publicação
Unveiling insulin degrading enzyme as a new therapeutic target for parkinson’s disease
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Orientador(es)
Resumo(s)
Summary
Parkinson's disease (PD) affects over 11 million people worldwide, yet ~90% of cases are sporadic with unclear aetiology. Although genetic factors contribute, they account for only a fraction of disease burden, pointing to environmental and metabolic influences. Type 2 diabetes mellitus (T2DM) increases PD risk by 30–40%, with early-onset diabetics showing a hazard ratio of 3.8. A defining pathological hallmark of PD is the misfolding and aggregation of α-synuclein (aSyn) into Lewy bodies, driving dopaminergic neuron loss in the substantia nigra pars compacta. The resulting striatal dopamine depletion produces the classical motor features of PD, including bradykinesia and tremor, alongside diverse non-motor symptoms.
T2DM is a chronic metabolic disorder characterized by hyperglycaemia resulting from insulin resistance and progressive β-cell dysfunction. Insulin-degrading enzyme (IDE) plays a crucial role in glucose homeostasis by degrading 50-70% of circulating insulin in the liver, making it a key regulator of systemic insulin levels. IDE dysfunction contributes to the hyperinsulinaemia characteristic of T2DM progression.
IDE has also been shown to have chaperone-like activity that can prevent aSyn aggregation, and inverse IDE–aSyn relationships have been reported in pancreatic tissue from diabetic patients and in IDE knockout mice. Given diabetes as a major PD risk factor, this thesis investigated whether similar dynamics occur in brain tissue and whether IDE dysfunction mechanistically links metabolic disease to neurodegeneration.
Using Thy1-aSyn transgenic mice, we conducted 36-week longitudinal assessments integrating metabolic, behavioural and regional brain biochemical analyses under normal chow (NCD) or high-fat diet (HFD). Transgenic mice appeared metabolically protected at baseline, with lower body weight and glucose levels, but showed disproportionate vulnerability under dietary challenge, revealing latent fragility. HFD accelerated PD phenotypes with temporal specificity: spatial working memory deficits arose 12 weeks earlier (24 vs 36 weeks) and motor impairments 4 weeks sooner with greater severity. Regionally, HFD selectively elevated midbrain aSyn, the site of dopaminergic degeneration, while sparing cortex, cerebellum and hippocampus. IDE responses were region-dependent, with the midbrain showing a twofold upregulation suggestive of compensation, diverging from peripheral inverse IDE–aSyn patterns.
To establish IDE’s role, we characterised IDE knockout mice across 25 weeks. Sex stratification revealed marked differences. Male knockouts developed early glucose intolerance with paradoxical insulin hypersensitivity that normalised, while females maintained metabolically stable on normal chow but showed latent vulnerability under dietary stress. Behaviourally, male knockouts displayed pole test motor impairments independent of metabolic challenge, establishing IDE deficiency as a direct neurological risk factor. Females, exhibited subtler, diet-sensitive changes. Intriguingly, IDE loss also protected against specific HFD-induced cognitive and motor deficits, highlighting context-dependent functions. Brain aSyn levels were unchanged, suggesting effects independent of gross protein accumulation.
To quantify motor dysfunction progression and phenotypic convergence, we performed high-resolution gait analysis across 86 locomotor parameters. In Thy1-aSyn mice, temporal progression revealed non-linear motor decline, with coordination parameters deteriorating by more than an order of magnitude between 20-36 weeks. Unexpectedly, HFD produced divergent rather than accelerated phenotypes, reprogramming locomotor patterns with opposite directional changes depending on age-diet combinations. IDE knockout mice exhibited distinct locomotor dysfunction with pronounced temporal and spatial coordination deficits under standard conditions that were paradoxically normalized under metabolic stress.
Machine learning classifiers achieved 78-83% accuracy for early pathology detection and 96% for advanced disease stages. Analysis indicated qualitative locomotor reorganisation rather than simple deterioration, with mediolateral positioning variability, temporal coordination deficits, and spatial control disruption emerging as key discriminative features across disease models. Cross-cohort classification demonstrated notable phenotypic convergence: IDE knockout mice showed 72% directional alignment with PD-like gait signatures in feature-based analysis, while 15-19% of individual locomotor events were classified as transgenic-like. This convergence supports the concept that distinct molecular pathologies feed into shared downstream motor control vulnerabilities.
Overall, this work reframes metabolic dysfunction from passive PD comorbidity to active disease modifier. The finding that metabolic stress accelerates rather than merely exacerbates pathology, combined with IDE's emergence as a molecular nexus linking metabolism to neurodegeneration, identifies novel therapeutic opportunities. These results support precision medicine strategies that consider sex, genetic architecture, metabolic status, sex, and disease stage when designing disease-modifying interventions for ageing populations.
Resumo A doença de Parkinson (PD) afeta mais de 11 milhões de pessoas em todo o mundo, sendo que ~90% dos casos são esporádicos e cuja origem é pouco clara. No entanto, os fatores genéticos explicam apenas uma pequena fração da origem da doença, deste modo realçando o impacto de influências ambientais e metabólicas. A diabetes mellitus tipo 2 (T2DM) aumenta o risco de PD em 30–40%, com jovens adultos a apresentarem uma razão de risco de 3,8. Um marco patológico da PD é o misfolding e agregação da α-sinucleína (aSyn) em corpos de Lewy, conduzindo à degeneração dos neurónios dopaminérgicos na substância nigra pars compacta. A consequente depleção de dopamina estriatal origina as manifestações motoras clássicas da PD, incluindo bradicinésia e tremor, bem como diversos sintomas não motores. A T2DM é uma doença metabólica crónica caracterizada por hiperglicémia resultante de resistência à insulina e disfunção progressiva das células β no pâncreas. A enzima degradadora de insulina (IDE) desempenha um papel crucial na homeostase da glucose ao degradar 50-70% da insulina circulante no fígado, tornando-se um regulador chave dos níveis sistémicos de insulina. A disfunção da IDE é um dos mecanismos contribui para a hiperinsulinemia característica da T2DM. Adicionalmente, a IDE também exerce atividade de chaperona, prevenindo a agregação de aSyn. Além disso, foram descritas relações inversas IDE–aSyn no tecido pancreático de doentes diabéticos e em ratinhos knockout para IDE. Dado que a T2DM é um fator de risco importante para a PD, esta tese investigou se dinâmicas semelhantes ocorrem no cérebro e se a disfunção da IDE representa um elo mecanístico entre doença metabólica e neurodegeneração. Recorrendo a ratinhos transgénicos Thy1-Syn, realizámos avaliações longitudinais ao longo de 36 semanas, integrando análises metabólicas, comportamentais e bioquímicas regionais do cérebro sob dieta normal (NCD) ou dieta rica em gordura (HFD). Os ratinhos transgénicos aparentaram estar metabolicamente protegidos, com menor peso corporal e níveis de glucose basais, mas revelaram vulnerabilidade desproporcionada perante desafio dietético, expondo fragilidade latente. A HFD acelerou fenótipos de PD com especificidade temporal: défices de memória espacial surgiram 12 semanas mais cedo (24 vs 36 semanas) e défices motores 4 semanas antes, com maior severidade. As nossas observações bioquímicas indicam que a HFD aumentou seletivamente os níveis de aSyn no mesencéfalo, local de degeneração dopaminérgica, poupando córtex, cerebelo e hipocampo. As respostas da IDE foram dependentes da região, com um aumento de duas vezes no mesencéfalo transgénico, sugerindo uma compensação face aos elevados níveis de aSyn, em contraste com os padrões inversos descritos em tecidos periféricos. Para estabelecer o papel da IDE, caracterizámos ratinhos knockout para IDE ao longo de 25 semanas. Os machos apresentaram intolerância precoce à glucose com hipersensibilidade insulínica paradoxal que normalizou por compensação com envelhecimento, enquanto as fêmeas mantiveram estabilidade mas revelaram disfunção latente sob stress dietético. Comportamentalmente, os machos mostraram défices motores no pole test, sem agravemento com a HFD, estabelecendo a deficiência em IDE como fator de risco para perda de coordenação motora. Curiosamente, a perda de IDE também conferiu proteção contra défices cognitivos e motores induzidos por HFD, revelando funções dependentes do contexto. Os níveis cerebrais de aSyn permaneceram inalterados, sugerindo efeitos independentes de acumulação proteica grosseira. Para avaliar quantitativamente a progressão da disfunção motora e a convergência fenotípica, conduzimos análise de marcha através da quantificação de 86 parâmetros locomotores. Nos ratinhos Thy1-aSyn, a progressão temporal revelou um declínio motor não linear, com a coordenação a deteriorar-se mais de dez vezes entre as 20–36 semanas. Inesperadamente, a HFD gerou fenótipos divergentes em vez de acelerados, reprogramando padrões locomotores de forma dependente da idade e da dieta. Os ratinhos knockout para IDE apresentaram défices distintos de coordenação temporal e espacial, que paradoxalmente foram normalizados sob stress metabólico. Modelos de classificação baseados em machine learning atingiram 78–83% de eficácia para deteção precoce da patologia e 96% em estadios avançados. A análise revelou reorganização locomotora qualitativa em vez de simples deterioração, com variabilidade no posicionamento médio-lateral, défices de coordenação temporal e disrupção do controlo espacial como características discriminativas entre modelos. A classificação cruzada entre coortes demonstrou notável convergência fenotípica: ratinhos knockout para IDE apresentaram 72% de alinhamento direcional com assinaturas de marcha tipo PD e 15–19% dos eventos locomotores classificados como semelhantes aos transgénicos. Esta convergência apoia o conceito de que patologias moleculares distintas convergem em vulnerabilidades partilhadas do controlo motor. Este trabalho reformula a disfunção metabólica de comorbilidade passiva da PD para modificador ativo da doença. A demonstração de que o stress metabólico acelera a patologia, e a identificação da IDE como um nexo molecular que liga metabolismo e neurodegeneração, destacam novas oportunidades terapêuticas. Estas observações apoiam estratégias de medicina de precisão que integrem fatores genéticos, metabólicos, sexo e estágio da doença em terapias modificadoras de doença numa população em constante envelhecimento.
Resumo A doença de Parkinson (PD) afeta mais de 11 milhões de pessoas em todo o mundo, sendo que ~90% dos casos são esporádicos e cuja origem é pouco clara. No entanto, os fatores genéticos explicam apenas uma pequena fração da origem da doença, deste modo realçando o impacto de influências ambientais e metabólicas. A diabetes mellitus tipo 2 (T2DM) aumenta o risco de PD em 30–40%, com jovens adultos a apresentarem uma razão de risco de 3,8. Um marco patológico da PD é o misfolding e agregação da α-sinucleína (aSyn) em corpos de Lewy, conduzindo à degeneração dos neurónios dopaminérgicos na substância nigra pars compacta. A consequente depleção de dopamina estriatal origina as manifestações motoras clássicas da PD, incluindo bradicinésia e tremor, bem como diversos sintomas não motores. A T2DM é uma doença metabólica crónica caracterizada por hiperglicémia resultante de resistência à insulina e disfunção progressiva das células β no pâncreas. A enzima degradadora de insulina (IDE) desempenha um papel crucial na homeostase da glucose ao degradar 50-70% da insulina circulante no fígado, tornando-se um regulador chave dos níveis sistémicos de insulina. A disfunção da IDE é um dos mecanismos contribui para a hiperinsulinemia característica da T2DM. Adicionalmente, a IDE também exerce atividade de chaperona, prevenindo a agregação de aSyn. Além disso, foram descritas relações inversas IDE–aSyn no tecido pancreático de doentes diabéticos e em ratinhos knockout para IDE. Dado que a T2DM é um fator de risco importante para a PD, esta tese investigou se dinâmicas semelhantes ocorrem no cérebro e se a disfunção da IDE representa um elo mecanístico entre doença metabólica e neurodegeneração. Recorrendo a ratinhos transgénicos Thy1-Syn, realizámos avaliações longitudinais ao longo de 36 semanas, integrando análises metabólicas, comportamentais e bioquímicas regionais do cérebro sob dieta normal (NCD) ou dieta rica em gordura (HFD). Os ratinhos transgénicos aparentaram estar metabolicamente protegidos, com menor peso corporal e níveis de glucose basais, mas revelaram vulnerabilidade desproporcionada perante desafio dietético, expondo fragilidade latente. A HFD acelerou fenótipos de PD com especificidade temporal: défices de memória espacial surgiram 12 semanas mais cedo (24 vs 36 semanas) e défices motores 4 semanas antes, com maior severidade. As nossas observações bioquímicas indicam que a HFD aumentou seletivamente os níveis de aSyn no mesencéfalo, local de degeneração dopaminérgica, poupando córtex, cerebelo e hipocampo. As respostas da IDE foram dependentes da região, com um aumento de duas vezes no mesencéfalo transgénico, sugerindo uma compensação face aos elevados níveis de aSyn, em contraste com os padrões inversos descritos em tecidos periféricos. Para estabelecer o papel da IDE, caracterizámos ratinhos knockout para IDE ao longo de 25 semanas. Os machos apresentaram intolerância precoce à glucose com hipersensibilidade insulínica paradoxal que normalizou por compensação com envelhecimento, enquanto as fêmeas mantiveram estabilidade mas revelaram disfunção latente sob stress dietético. Comportamentalmente, os machos mostraram défices motores no pole test, sem agravemento com a HFD, estabelecendo a deficiência em IDE como fator de risco para perda de coordenação motora. Curiosamente, a perda de IDE também conferiu proteção contra défices cognitivos e motores induzidos por HFD, revelando funções dependentes do contexto. Os níveis cerebrais de aSyn permaneceram inalterados, sugerindo efeitos independentes de acumulação proteica grosseira. Para avaliar quantitativamente a progressão da disfunção motora e a convergência fenotípica, conduzimos análise de marcha através da quantificação de 86 parâmetros locomotores. Nos ratinhos Thy1-aSyn, a progressão temporal revelou um declínio motor não linear, com a coordenação a deteriorar-se mais de dez vezes entre as 20–36 semanas. Inesperadamente, a HFD gerou fenótipos divergentes em vez de acelerados, reprogramando padrões locomotores de forma dependente da idade e da dieta. Os ratinhos knockout para IDE apresentaram défices distintos de coordenação temporal e espacial, que paradoxalmente foram normalizados sob stress metabólico. Modelos de classificação baseados em machine learning atingiram 78–83% de eficácia para deteção precoce da patologia e 96% em estadios avançados. A análise revelou reorganização locomotora qualitativa em vez de simples deterioração, com variabilidade no posicionamento médio-lateral, défices de coordenação temporal e disrupção do controlo espacial como características discriminativas entre modelos. A classificação cruzada entre coortes demonstrou notável convergência fenotípica: ratinhos knockout para IDE apresentaram 72% de alinhamento direcional com assinaturas de marcha tipo PD e 15–19% dos eventos locomotores classificados como semelhantes aos transgénicos. Esta convergência apoia o conceito de que patologias moleculares distintas convergem em vulnerabilidades partilhadas do controlo motor. Este trabalho reformula a disfunção metabólica de comorbilidade passiva da PD para modificador ativo da doença. A demonstração de que o stress metabólico acelera a patologia, e a identificação da IDE como um nexo molecular que liga metabolismo e neurodegeneração, destacam novas oportunidades terapêuticas. Estas observações apoiam estratégias de medicina de precisão que integrem fatores genéticos, metabólicos, sexo e estágio da doença em terapias modificadoras de doença numa população em constante envelhecimento.