Pathogenic roles of GPR109a in Alzheimer’s Disease

Abstract

As a significant environmental factor for Alzheimer’s disease (AD), gut microbiota have been observed to regulate microglial activation and amyloid pathology. However, the mechanisms through which gut microbiota modify AD progression remain unclear. We hypothesized that GPR109a, a receptor for bacterial metabolites, might link the intestinal microbiota to AD pathology. By cross-breeding AppNL-G-F/NL-G-F knock-in (APP-KI) AD mouse model with GPR109a knockout mice, we showed that deficiency of GPR109a increases microglial internalization of amyloid-β (Aβ) and substantially reduces Aβ load in the brain. As a result, deficiency of GPR109a prevents neuronal impairment and improves cognitive function of AD mice. Deficiency of GPR109a does not affect neuroinflammation, as neither the number of microglia nor the transcription of inflammatory genes (e.g., tnf-α and il-1β) in the brain tissue is changed compared with GPR109a-wildtype AD mouse. In further experiments, we observed 3 potential molecular mechanisms: 1) GPR109a deficiency up-regulates the transcription of the trem2 gene in microglia, which promotes microglial response to extracellular environmental changes. In GPR109a-deficient AD mice, there are more microglia clustered around Aβ deposits than in GPR109a-wildtype APP-KI mice, which may facilitate Aβ clearance; 2) Deficiency of GPR109a increases transcription of cx3cr1 gene. In cultured bone marrow-derived macrophages, GPR109a deficiency enhances CX3CR1 expression induced by niacin treatment compared with GPR109a wild-type cells.

CX3CR1 expression is correlated with phagocytosis of Aβ oligomers. Concurrent treatment with CX3CR1 antagonist, AZD 8797, prevents niacin from promoting Aβ-phagocytosis by GPR109a-deficient macrophages; and 3) deficiency of GPR109a increases the expression of LRP1 on neurons and astrocytes, which might also facilitate uptake of Aβ by these cells. In conclusion, deficiency of GPR109a increases Aβ clearance by microglia and possibly also by neurons and astrocytes, which subsequently attenuates amyloid pathology and protects neurons in AD mice.

ZUSAMMENFASSUNG Es wurde beobachtet, dass die Darmmikrobiota als wichtiger Umweltfaktor für die Alzheimer-Krankheit (AD) die Mikroglia-Aktivierung und die Amyloid-Pathologie reguliert. Die Mechanismen, durch die die Darmmikrobiota das Fortschreiten der Alzheimer-Krankheit beeinflusst, sind jedoch noch unklar. Wir stellten die Hypothese auf, dass GPR109a, ein Rezeptor für bakterielle Stoffwechselprodukte, eine Verbindung zwischen der Darmmikrobiota und der AD-Pathologie herstellen könnte. Durch die Kreuzung von AppNL-GF/ NL-G-F (APP-KI) AD-Mausmodell mit GPR109a-Knockout-Mäusen konnten wir zeigen, dass ein Mangel an GPR109a die mikrogliale Internalisierung von Amyloid-β (Aβ) erhöht und die Aβ-Belastung im Gehirn erheblich reduziert. Ein Mangel an GPR109a verhindert also neuronale Beeinträchtigungen und verbessert die kognitiven Funktionen von AD-Mäusen. Der Mangel an GPR109a hat keinen Einfluss auf die Neuroinflammation, da weder die Anzahl der Mikroglia noch die Transkription von Entzündungsgenen (z.B. tnf-α und il-1β) im Hirngewebe im Vergleich zur GPR109a-Wildtyp-AD-Maus verändert ist. In weiteren Experimenten haben wir 3 mögliche molekulare Mechanismen beobachtet: 1) Der Mangel an GPR109a regt die Transkription des trem2-Gens in Mikroglia an, was die Reaktion der Mikroglia auf extrazelluläre Umweltveränderungen fördert. In GPR109adefizienten AD-Mäusen gibt es mehr Mikroglia, die sich um Aβ-Ablagerungen gruppieren, als in GPR109a-Wildtyp-APP-KI-Mäusen, was die Aβ-Clearance erleichtern könnte; 2) Ein Mangel an GPR109a erhöht die Transkription des cx3cr1-Gens. In kultivierten Makrophagen aus dem Knochenmark verstärkt ein GPR109a-Mangel die durch Niacin-Behandlung induzierte CX3CR1-Expression im Vergleich zu GPR109a-Wildtyp-Zellen. Die CX3CR1- Expression korreliert mit der Phagozytose von Aβ-Oligomeren. Die gleichzeitige Behandlung mit dem CX3CR1-Antagonisten AZD 8797 verhindert, dass Niacin die Aβ-Phagozytose durch GPR109a-defiziente Makrophagen fördert; und 3) Der Mangel an GPR109a erhöht die Expression von LRP1 auf Neuronen und Astrozyten, was auch die Aufnahme von Aβ durch diese Zellen erleichtern könnte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Mangel an GPR109a die Aβ-Clearance durch Mikroglia und möglicherweise auch durch Neuronen und Astrozyten erhöht, was in der Folge die Amyloid-Pathologie abschwächt und die Neuronen in AD-Mäusen schützt.