The role of insulin-degrading enzyme in regulating α-synuclein aggregation and toxicity

Wu, Yiyang (2026): The role of insulin-degrading enzyme in regulating α-synuclein aggregation and toxicity. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Die Parkinson-Krankheit (PD) ist gekennzeichnet durch die pathologische Aggregation von Alpha-Synuclein (αSyn), was zu einer fortschreitenden Neurodegeneration und ausgeprägten motorischen Symptomen führt. Zunehmende Evidenz legt nahe, dass eine gestörte Proteostase eine zentrale Rolle in der αSyn-Pathogenese spielt. Die insulin-degradierende Endopeptidase (IDE) ist eine Zink-Metalloprotease, die für ihre Funktionen im Insulinstoffwechsel und im Abbau amyloidogener Peptide bekannt ist; ihr Einfluss auf die Aggregation und Toxizität von αSyn ist jedoch bislang nur unzureichend verstanden. Ziel dieser Doktorarbeit war es, die Rolle von IDE bei der Modulation der αSyn-Aggregation, ihre Interaktion mit αSyn sowie die daraus resultierenden Effekte auf die neuronale Lebensfähigkeit zu untersuchen. Anhand humaner LUHMES-Zellmodelle und Ide-Knockout-Mausmodellen wurde der Einfluss von IDE auf die Löslichkeit, Aggregationsneigung und Zytotoxizität von αSyn systematisch analysiert. Biochemische Fraktionierungen, Western-Blot-Analysen und Thioflavin-T-Assays zeigten, dass ein IDE-Knockdown sowohl endogenes als auch überexprimiertes αSyn signifikant in detergenz-unlösliche Fraktionen verschob und die Bildung β-Faltblatt-reicher Aggregate verstärkte, ohne die Transkriptionsrate von SNCA zu beeinflussen. Zudem erhöhte der IDE-Knockdown die αSyn-induzierte Zytotoxizität, wie durch LDH-Freisetzungsassays belegt wurde. Im Gegensatz dazu reduzierte eine IDE-Überexpression den Anteil unlöslicher αSyn-Fraktionen, hatte jedoch keinen signifikanten Effekt auf die akute αSyn-vermittelte Zytotoxizität. In vivo zeigten explorative Analysen an Ide-Knockout-Mäusen nach intrazerebraler Injektion von αSyn-Präfibrillen (PFFs) eine verstärkte αSyn-Pathologie, was die protektive Rolle von IDE gegenüber der αSyn-Aggregation im intakten Nervensystem stützt. Strukturmodellierungen mit AlphaFold 3 sowie Co-Immunpräzipitationsassays lieferten übereinstimmende Hinweise auf eine direkte Interaktion zwischen IDE und αSyn. Insgesamt identifizieren diese Ergebnisse IDE als einen wesentlichen Modulator der αSyn-Aggregation und legen nahe, dass ein IDE-Mangel zur Progression der PD-Pathologie beitragen kann. IDE erscheint damit als vielversprechendes therapeutisches Ziel; der Erhalt bzw. die Steigerung der IDE-Expression beziehungsweise der IDE-Spiegel könnte zur Stabilisierung der neuronalen Proteostase beitragen. Die Befunde schlagen eine Brücke zwischen metabolischen und neurodegenerativen Prozessen und liefern eine fundierte Grundlage für die Weiterentwicklung IDE-zentrierter Therapieansätze bei PD.

Abstract

Parkinson’s disease (PD) is characterized by pathological aggregation of alpha-synuclein (αSyn), leading to progressive neurodegeneration and debilitating motor symptoms. Accumulating evidence suggests that impaired proteostasis plays a pivotal role in αSyn pathology. Insulin-degrading enzyme (IDE) is a zinc metalloprotease known for its roles in insulin metabolism and degradation of amyloidogenic peptides, but its influence on αSyn aggregation and toxicity remains poorly understood. This doctoral research aimed to elucidate the role of IDE in modulating αSyn aggregation, its interaction mechanism with αSyn, and the resultant effects on neuronal viability. Utilizing Lund human mesencephalic (LUHMES) neuronal cells and Ide knockout (KO) mice, the study systematically assessed IDE’s impact on αSyn solubility, aggregation propensity, and cytotoxicity. Biochemical fractionation, Western blot, and Thioflavin T assays demonstrated that IDE knockdown significantly shifted endogenous and overexpressed αSyn toward detergent-insoluble fractions, increasing β-sheet-rich aggregates without altering SNCA transcription levels. IDE knockdown also exacerbated αSyn-induced cytotoxicity, as evidenced by lactate dehydrogenase (LDH) release assays. Conversely, IDE overexpression decreased the insoluble αSyn fraction but did not significantly mitigate acute αSyn-induced cytotoxicity. In pilot in vivo analyses using Ide KO mice, IDE deficiency enhanced αSyn pathology following intracerebral injection of αSyn preformed fibrils (PFFs), supporting a protective role of IDE against αSyn aggregation in intact neural systems. Structural modeling with AlphaFold 3, together with co-immunoprecipitation (Co-IP) assays, provided converging evidence for a direct interaction between IDE and αSyn. Collectively, these results identify IDE as a crucial modulator of αSyn aggregation, implicating IDE deficiency in the progression of PD pathology. This study highlights IDE as a promising therapeutic target for PD, suggesting that maintaining IDE function or increasing IDE levels could offer protective benefits by preserving neuronal proteostasis. The findings bridge metabolic and neurodegenerative processes, offering a compelling rationale for further exploration of IDE-centered therapeutic strategies in PD.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 24. Februar 2026
• 1. Bericht­erstatter:in: Köglsperger, Thomas