Gamma-secretase modulators and inhibitors in Alzheimer's disease: influence of genetic background on efficacy and mechanism of action

According to the amyloid hypothesis, Alzheimer’s disease (AD) is caused by aberrant production or clearance of the amyloid-β (Aβ) peptides, and in particular of the longer more aggregation-prone Aβ42. The Aβ peptides are generated through successive proteolytic cleavage of the amyloid precursor protein (APP) by the β-site APP cleaving enzyme (BACE) and γ-secretase. γ-secretase produces Aβ peptides with variable C-termini ranging from Aβ34 to Aβ48, presumably by sequential trimming of longer into shorter peptides. γ-secretase is a multiprotein complex consisting of at least four different proteins and the presenilin proteins (PS1 or PS2) contain the catalytic center of the complex. In 2001 several non-steroidal anti-inflammatory drugs were identified as the founding members of a new class of γ-secretase modulators (GSMs) that can selectively reduce production of Aβ42. Concomitantly, these GSMs increase Aβ38 production indicating closely coordinated generation of Aβ42 and Aβ38 and a potential precursor-product relationship between these peptides. GSMs seem to exert their activity by direct modulation of γ-secretase. Support for this hypothesis is drawn from the finding that some PS mutations associated with early-onset familial AD (FAD) can modulate the cellular response to GSMs and to γ-secretase inhibitors (GSIs), which inhibit production of all Aβ peptides and are known to directly interact with PS. A particularly interesting FAD PS mutation is PS1-ΔExon9, a complex deletion mutant that blocks endoproteolysis of PS1 and renders cells completely non-responsive to GSMs. Studies presented in this thesis show that the diminished response of PS1-ΔExon9 to GSMs is mainly caused by its lack of endoproteolytic cleavage. Furthermore, we were able to demonstrate that a reduced response to GSMs and GSIs is not limited to PS1-ΔExon9 but is a common effect of aggressive FAD-associated PS1 mutations. Surprisingly, we also found that while the Aβ42 response to GSMs is almost completely abolished by these PS1 mutations, the accompanying Aβ38 increase was indistinguishable to wild-type PS1. Finally, the reduced response to GSIs was confirmed in a mouse model with transgenic expression of an aggressive FAD-associated PS1 mutation as a highly potent GSI failed to reduce Aβ42 levels in brain of these mice. Taken together, our findings provide clear evidence for independent generation of Aβ42 and Aβ38 peptides, and argue that the sequential cleavage model might be an oversimplification of the molecular mechanism of γ-secretase. Most importantly, our results highlight the significance of genetic background in drug discovery efforts aimed at γ-secretase, and indicate that the use of cellular models with transgenic expression of FAD-associated PS mutations might confound studies of the potency and efficacy of GSMs and GSIs. Therefore, such models should be strictly avoided in the ongoing preclinical development of these promising and potentially disease-modifying therapeutics for AD.

Identifizierung chemischer Transportinhibitoren zur Modulation (patho)biologischer Genprodukte

Die intrazelluläre Lokalisation von Proteinen und Makromolekülen unterliegt in Eukaryoten einer strengen Regulation. Insbesondere erlaubt die Kompartimentierung eukaryotischer Zellen in Zellkern und Zytoplasma den simultanen Ablauf räumlich getrennter biochemischer Reaktionen, und damit die unabhängige Regulation zellulärer Programme. Da trotz intensiver Forschungsbemühungen bis dato die molekularen Details sowie die (patho)biologische Bedeutung von Kern-Zytoplasma-Transportprozessen noch immer nicht vollkommen verstanden sind, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Fokus auf die Identifizierung von chemischen Transportinhibitoren gelegt. Das zu diesem Zweck entwickelte Translokations-Biosensor-System basiert auf der Kombination von autofluoreszierenden Proteinen, sowie spezifisch ausgewählten Kernexport- und Kernimportsignalen. Nach Etablierung geeigneter Zellmodelle, die effizient und stabil die Translokations-Biosensoren exprimieren, wurde die 17 000 Substanzen umfassende Bibliothek der ChemBioNet-Initiative nach Kernexportinhibitoren mittels einer Fluoreszenzmikroskopie-basierten Hochdurchsatzanalyse-Plattform durchmustert. Zunächst wurden Translokations-Algorithmen, welche eine zuverlässige automatisierte Erkennung von Zellkern und Zytoplasma erlauben, optimiert. Im Folgenden konnten acht neue niedermolekulare Kernexport-Inhibitoren identifiziert werden, die sich in der Stärke, der Geschwindigkeit, sowie in der Beständigkeit der vermittelten Inhibition unterscheiden. Die Aktivität der Inhibitoren konnte auf den isolierten nukleären Exportsignalen (NES) von HIV-1 Rev und Survivin als auch auf den entsprechenden Volllängeproteinen mittels Mikroinjektionsexperimenten sowie durch umfassende in vitro und biochemische Methoden bestätigt werden. Zur Untersuchung der funktionellen Einheiten der Inhibitoren wurden homologe Substanzen auf Ihre Aktivität hin getestet. Dabei konnten für die Aktivität wichtige chemische Gruppen definiert werden. Alle Substanzen stellen neue Inhibitoren des Crm1-abhängigen Exports dar und zeigen keine nachweisbare NES-Selektivität. Interessanterweise konnte jedoch eine zytotoxische und Apoptose-induzierende Wirkung auf verschiedene Krebszellarten festgestellt werden. Da diese Wirkung unabhängig vom p53-Status der Tumorzellen ist und die Inhibitoren C3 und C5 die Vitalität nicht-maligner humaner Zellen signifikant weniger beeinträchtigen, wurden diese Substanzen zum internationalen Patent angemeldet. Da der nukleäre Export besonders für Tumorzellen einen wichtigen Überlebenssignalweg darstellt, könnte dessen reversible Hemmung ausgenutzt werden, um besonders in Kombination mit gängigen Krebstherapien eine therapeutisch relevante Tumorinhibition zu erzeugen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der neuen Exportinhibitoren ist auf dem Gebiet der Infektionskrankheiten zu sehen, da auch die Aktivität des essentiellen HIV-1 Rev-Proteins inhibiert wird. Zusätzlich konnte in der Arbeit gezeigt werden, dass der zelluläre Kofaktor des Crm1-abhängigen Exports des HIV-1 Rev-Proteins, die RNA-Helikase DDX3, ein eigenes NES enthält. Der Nachweis einer direkten Interaktion des HIV-1 Rev- mit dem DDX3-Protein impliziert, dass multiple Angriffstellen für chemische Modulatoren hinsichtlich einer antiviralen Therapie gegeben sind. Da die Vielfalt des chemischen Strukturraums es unmöglich macht diesen experimentell vollständig zu durchmustern, wurden im Rahmen dieser Arbeit auch Naturstoffe als vielversprechende Wirkstoffquelle untersucht. Um zukünftig umfassend bioaktive Substanzen aus diesen hochkomplexen Stoffgemischen experimentell identifizieren zu können, wurde eine Fluoreszenzmikroskopie-basierte Hochdurchsatzanalyse-Plattform am Mainz Screening Center (MSC) etabliert. Damit konnte bereits ein weiterer, bisher unbekannter Exportinhibitor aus Cyphellopsis anomala identifiziert werden. Neben einer Anwendung dieser Substanz als chemisches Werkzeug zur Aufklärung der Regulation von Transportvorgängen, stellt sich auch die evolutionsbiologisch relevante Frage, wie es dem Pilzproduzenten gelingt die Blockierung des eigenen Kernexports zu umgehen. Weiterführende Projekte müssen sich neben der Aufklärung der molekularen Wirkmechanismen der gefundenen Substanzen mit der Identifizierung spezifischer chemischer „Funktionseinheiten“ beschäftigen. Neben einem verbesserten mechanistischen Verständnis von Transportvorgängen stellen die erarbeiteten Transportinhibitoren Vorstufen zur Weiterentwicklung möglicher Wirkstoffe dar. Die im Rahmen dieser Arbeit etablierte Technologie-Plattform und molekularen Werkzeuge stellen darüber hinaus eine wichtige Voraussetzung dar, um eine systematische Suche nach möglichen Wirkstoffen im Forschungsfeld der „Chemischen Biomedizin“ voranzutreiben.