Defective brain insulin signaling has been suggested to contribute to the cognitive deficits in patients with Alzheimer’s disease (AD). Although a connection between AD and diabetes has been suggested, a major unknown is the mechanism(s) by which insulin resistance in the brain arises in individuals with AD. Here, we show that serine phosphorylation of IRS-1 (IRS-1pSer) is common to both diseases. Brain tissue from humans with AD had elevated levels of IRS-1pSer and activated JNK, analogous to what occurs in peripheral tissue in patients with diabetes. We found that amyloid-β peptide (Aβ) oligomers, synaptotoxins that accumulate in the brains of AD patients, activated the JNK/TNF-α pathway, induced IRS-1 phosphorylation at multiple serine residues, and inhibited physiological IRS-1pTyr in mature cultured hippocampal neurons. Impaired IRS-1 signaling was also present in the hippocampi of Tg mice with a brain condition that models AD. Importantly, intracerebroventricular injection of Aβ oligomers triggered hippocampal IRS-1pSer and JNK activation in cynomolgus monkeys. The oligomer-induced neuronal pathologies observed in vitro, including impaired axonal transport, were prevented by exposure to exendin-4 (exenatide), an anti-diabetes agent. In Tg mice, exendin-4 decreased levels of hippocampal IRS-1pSer and activated JNK and improved behavioral measures of cognition. By establishing molecular links between the dysregulated insulin signaling in AD and diabetes, our results open avenues for the investigation of new therapeutics in AD.

Synapse deterioration underlying severe memory loss in early Alzheimer's disease (AD) is thought to be caused by soluble amyloid beta (Aβ) oligomers. Mechanistically, soluble Aβ oligomers, also referred to as Aβ-derived diffusible ligands (ADDLs), act as highly specific pathogenic ligands, binding to sites localized at particular synapses. This binding triggers oxidative stress, loss of synaptic spines, and ectopic redistribution of receptors critical to plasticity and memory. We report here the existence of a protective mechanism that naturally shields synapses against ADDL-induced deterioration. Synapse pathology was investigated in mature cultures of hippocampal neurons. Before spine loss, ADDLs caused major downregulation of plasma membrane insulin receptors (IRs), via a mechanism sensitive to calcium calmodulin-dependent kinase II (CaMKII) and casein kinase II (CK2) inhibition. Most significantly, this loss of surface IRs, and ADDL-induced oxidative stress and synaptic spine deterioration, could be completely prevented by insulin. At submaximal insulin doses, protection was potentiated by rosiglitazone, an insulin-sensitizing drug used to treat type 2 diabetes. The mechanism of insulin protection entailed a marked reduction in pathogenic ADDL binding. Surprisingly, insulin failed to block ADDL binding when IR tyrosine kinase activity was inhibited; in fact, a significant increase in binding was caused by IR inhibition. The protective role of insulin thus derives from IR signaling-dependent downregulation of ADDL binding sites rather than ligand competition. The finding that synapse vulnerability to ADDLs can be mitigated by insulin suggests that bolstering brain insulin signaling, which can decline with aging and diabetes, could have significant potential to slow or deter AD pathogenesis.

Alzheimer’s disease (AD) and type 2 diabetes appear to share similar pathogenic mechanisms. dsRNA-dependent protein kinase (PKR) underlies peripheral insulin resistance in metabolic disorders. PKR phosphorylates eukaryotic translation initiation factor 2α (eIF2α-P), and AD brains exhibit elevated phospho-PKR and eIF2α-P levels. Whether and how PKR and eIF2α-P participate in defective brain insulin signaling and cognitive impairment in AD are unknown. We report that β-amyloid oligomers, AD-associated toxins, activate PKR in a tumor necrosis factor α (TNF-α)-dependent manner, resulting in eIF2α-P, neuronal insulin receptor substrate (IRS-1) inhibition, synapse loss, and memory impairment. Brain phospho-PKR and eIF2α-P were elevated in AD animal models, including monkeys given intracerebroventricular oligomer infusions. Oligomers failed to trigger eIF2α-P and cognitive impairment in PKR−/− and TNFR1−/− mice. Bolstering insulin signaling rescued phospho-PKR and eIF2α-P. Results reveal pathogenic mechanisms shared by AD and diabetes and establish that proinflammatory signaling mediates oligomer-induced IRS-1 inhibition and PKR-dependent synapse and memory loss.

Abstract Alzheimer's disease ( AD ) is associated with peripheral metabolic disorders. Clinical/epidemiological data indicate increased risk of diabetes in AD patients. Here, we show that intracerebroventricular infusion of AD ‐associated Aβ oligomers (AβOs) in mice triggered peripheral glucose intolerance, a phenomenon further verified in two transgenic mouse models of AD . Systemically injected AβOs failed to induce glucose intolerance, suggesting AβOs target brain regions involved in peripheral metabolic control. Accordingly, we show that AβOs affected hypothalamic neurons in culture, inducing eukaryotic translation initiation factor 2α phosphorylation ( eIF 2α‐P). AβOs further induced eIF 2α‐P and activated pro‐inflammatory IKK β/ NF ‐κB signaling in the hypothalamus of mice and macaques. AβOs failed to trigger peripheral glucose intolerance in tumor necrosis factor‐α ( TNF ‐α) receptor 1 knockout mice. Pharmacological inhibition of brain inflammation and endoplasmic reticulum stress prevented glucose intolerance in mice, indicating that AβOs act via a central route to affect peripheral glucose homeostasis. While the hypothalamus has been largely ignored in the AD field, our findings indicate that AβOs affect this brain region and reveal novel shared molecular mechanisms between hypothalamic dysfunction in metabolic disorders and AD.