Mutação na proteína b-glucuronidase Klotho tem sido associada com envelhecimento prematuro e disfunção cognitiva. Embora altamente expressa em regiões específicas do encéfalo, as funções da proteína Klotho no sistema nervoso central ainda são desconhecidas. Aqui, mostramos que animais com gene mutado e hipomórfico para a proteína Klotho possuem regulação glicêmica alterada, sugerindo maior sensibilidade à insulina. No sistema nervoso central, vias relacionadas à sinalização intracelular de insulina apresentam-se mais ativadas no hipocampo, com maior ativação de AKT e mTOR e inativação dos fatores de transcrição FOXO. Neurônios hipocampais em cultura parecem responder à estimulação por insulina e glutamato aumentando os níveis de Klotho. De forma coerente, antagonismo de receptor AMPA ou NMDA suprime a expressão neuronal de Klotho. Também mostramos aqui que a forma solúvel da Klotho é capaz de induzir a glicólise aeróbica de astrócitos impedindo a metabolização do piruvato pela mitocôndria, e estimulando seu processamento pela lactato desidrogenase. Inibição farmacológica de FGFR1, fosforilação da ERK e de transportadores de ácidos monocarboxílicos previne a liberação de lactato induzida por Klotho em astrócitos. Inibição da AKT pelo tratamento com Klotho induz a atividade transcricional dos fatores de transcrição FOXO e promove proteção antioxidante em astrócitos pelo aumento de expressão de catalase. De forma similar, tratamento com a Klotho apresentou propriedades antiinflamatórias em astrócitos, impedindo ativação do fator de transcrição NF-kB após estímulo com LPS. Em neurônios, tratamento com a proteína Klotho induz ubiquitiniação e degradação proteassomal de PFKFB3. Por fim, provamos que a quantidade de Klotho diminui em hipocampo de animais envelhecidos. Genes e proteínas relacionados ao metabolismo energético e ao acoplamento metabólico de neurônios e astrócitos tem padrão de expressão alterados no hipocampo com o envelhecimento, mostrando que essa pode ser uma característica importante para explicar o declínio cognitivo comum ao processo de envelhecimento. Em conjunto, esses dados sugerem que a Klotho pode ser um novo participante do acoplamento metabólico entre neurônios e astrócitos.

Mutations in the b-glucuronidase protein Klotho have been associated with premature aging and cognitive dysfunction. Although highly expressed in specific regions of the brain, Klotho actions in the central nervous system are still largely unknown. Here we show that animals with a mutated hypomorphic Klotho gene have altered glycemia regulation, suggestive of a higher insulin sensitivity. In the central nervous system, pathways related to insulin intracellular signaling were shown to be up-regulated in the hippocampus, with higher AKT and mTOR activation, and inactivation of transcription factor FOXO. Here, we show that cultured hippocampal neurons respond to insulin and glutamate stimulation by elevating Klotho protein levels. Conversely, APA and NMDA antagonism suppress neuronal Klotho expression. We also provide evidence that soluble Klotho enhances astrocytic aerobic glycolysis by hindering pyruvate metabolism through the mitochondria, and stimulating its processing by lactate dehydrogenase. Pharmacological inhibition of FGFR1, ERK phosphorylation, and monocarboxylic acid transporters prevents Klotho-induced lactate release from astrocytes. AKT inhibition by Klotho treatment induces transcriptional activity of FOXO transcription factors and promote antioxidant defense in astrocytes by inducing catalase expression. Similarly, Klotho treatment has anti-inflammatory properties, as shown by its ability to hinder NF-kB activation in astrocytes after LPS stimulation. In neurons, Klotho treatment induces PFKFB3 ubiquitination and degradation through the proteasome. Lastly, in the hippocampus, we show that Klotho is less present in hippocampi of aged mice. Genes and proteins related to energy metabolism and metabolic coupling between neurons and astrocytes show an altered expression pattern with aging, suggesting that this could be a crucial characteristic that explains cognitive decline commonly seen during the aging process. Taken together these data suggest Klotho as a potential new player in the metabolic coupling between neurons and astrocytes.