Characterization of TRAF6 mediated ubiquitination of presenilins and γ-secretase substrates

Post-translational modification of the γ-secretase protease complexes and their substrates has an important role in controlling receptor-initiated signalling events, which are critically important in the pathogenesis of cancer, inflammatory and Alzheimer’s disease. Our lab has previously characterised an interaction between TRAF6 and presenilin-1, which lead to the identification of interleukin-1 (IL-1) receptor type 1 (IL-1R1) and Toll-like receptor-4 (TLR4) as novel γ-secretase substrates. Subsequently our group showed that TRAF6 promoted ubiquitination and γ-secretase cleavage of IL-1R1. The aim of this project is to study the association between TRAF6 and the presenilins, the critical γ-secretase complex components, and to determine the functional importance of TRAF6-mediated ubiquitination of γ-secretase substrates. Firstly, we show that the full-length presenilins are novel substrates of TRAF6-mediated Lysine-63-linked polyubiquitination. Secondly, we show that co-expression of TRAF6 and the presenilins increases the stability and alters the turnover of the presenilins. Thirdly, we reveal that TRAF6-mediated ubiquitination of presenilin does not affect γ-secretase enzyme activity, but may regulate the full-length presenilin functions such as ER Ca2+ signalling. Previously, we have reported IL-1R1 as a novel substrate of TRAF6-mediated ubiquitination. In this study, we identified five lysine residues in the IL-1R1 intracellular domain targeted by TRAF6-mediated polyubiquitination. Furthermore, mutagenesis of these five lysine residues led to decreased IL-1R1 cell surface expression, precluded the ectodomain shedding and attenuated the responsiveness to IL-1β stimulation, demonstrating the critical role of TRAF6 in IL-1R1 trafficking.

Identification and characterization of innate immune receptor substrates of γ-secretase enzyme complex

The γ-secretase protease complexes and associated regulated intramembrane proteolysis play an important role in controlling receptor-mediated intracellular signalling events, which have a central role in Alzheimer’s disease, cancer progression and immune surveillance. It has previously been reported that the Interleukin-1 receptor, type 1, (IL-1R1) is a substrate for regulated intramembrane proteolysis, mediated by presenilin (PS)-dependent γ-secretase activity. The aims of this project were twofold. Firstly, to determine the conservation of regulated intramembrane proteolysis as a physiological occurrence amongst other cytokine receptors. In this regard, similar to IL-1R1, we identified the Tumour necrosis factor receptor type 1 (TNFR1) and the Toll like receptor 4 (TLR4) as novel γ-secretase substrates. Secondly, given that the diversity of signalling events mediated by the IL-1R1, TLR4 and TNFR1 are spatially segregated, we investigated the spatial distribution, subcellular trafficking and subcellular occurrence of regulated intramembrane proteolysis of IL-1R1, TLR4 and TNFR1. Using dynasore an inhibitor of clathrin-dependent receptor endocytosis, both ectodomain shedding and γ-secretase-mediated cleavage of IL-1R1 were observed post-internalization. In contrast, TNFR-1 underwent ectodomain shedding at the cell surface followed by endosomal γ-secretase-mediated cleavage. Furthermore, immortalised fibroblasts from PS1-deficient mice showed impaired γ-secretasemediated cleavage of IL-1R1 and TNFR1, indicating that both are cleaved by PS1-and not PS2-containing γ-secretase complexes. Subcellular fractionation and immunofluorescence studies revealed that the γ-secretase generated IL-1R1 ICD translocates to the nucleus on IL-1β stimulation. These observations further demonstrate the novel PS-dependent means of modulating IL-1β, LPS and TNFα- mediated immune responses by regulating IL-1R1/TLR4/TNFR1 protein levels within the cells.

Die Rolle des Zelladhäsionsmoleküls L1 in der Tumorprogression

Das neuronale Adhäsionsmolekül L1 wird neben den Zellen des Nervensystems auf vielen humanen Tumoren exprimiert und ist dort mit einer schlechten Prognose für die betroffenen Patienten assoziiert. Zusätzlich zu seiner Funktion als Oberflächenmolekül kann L1 durch membranproximale Spaltung in eine lösliche Form überführt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von L1 auf die Motilität von Tumorzellen untersucht. Lösliches L1 aus Asziten führte zu einer Integrin-vermittelten Zellmigration auf EZM-Substraten. Derselbe Effekt wurde durch Überexpression von L1 in Tumorlinien beobachtet. Weiterhin führt die L1-Expression zu einer erhöhten Invasion, einem verstärkten Tumorwachstum in NOD/SCID Mäusen und zur konstitutiven Aktivierung der MAPK ERK1/2. Eine Mutation in der zytoplasmatischen Domäne von hL1 (Thr1247Ala/Ser1248Ala)(hL1mut) führte hingegen zu einer Blockade dieser Funktionen. Dies weist daraufhin, dass nicht nur lösliches L1, sondern auch die zytoplasmatische Domäne von L1 funktionell aktiv ist. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Mechanismus, der L1-vermittelten Signaltransduktion untersucht. Die zytoplasmatische Domäne von L1 gelangt nach sequenzieller Proteolyse durch ADAM und Presenilin-abhängiger γ-Sekretase Spaltung in den Zellkern. Diese Translokation im Zusammenspiel mit der Aktivierung der MAPK ERK1/2 durch L1-Expression führt zu einer L1-abhängigen Genregulation. Die zytoplasmatische Domäne von hL1mut konnte ebenfalls im Zellkern detektiert werden, vermittelte jedoch keine Genregulation und unterdrückte die ERK1/2 Phosphorylierung. Die L1-abhängige Induktion von ERK1/2-abhängigen Genen wie Cathepsin B, β3 Integrin und IER 3 war in Zellen der L1-Mutante unterdrückt. Die Expression des Retinsäure-bindenden Proteins CRABP-II, welches in hL1 Zellen supprimiert wird, wurde in der L1-Mutante nicht verändert. Weitere biochemische Untersuchungen zeigen, dass die zytoplasmatische Domäne von L1 Komplexe mit Transkriptionsfaktoren bilden kann, die an Promoterregionen binden können. Die dargestellten Ergebnisse belegen, dass L1-Expression in Tumoren an drei Funktionen beteiligt ist; (i) L1 erhöht Zellmotilität, (ii) fördert Tumorprogression durch Hochregulation von pro-invasiven und proliferationsfördernden Genen nach Translokation in den Nukleus und (iii) schützt die Zellen mittels Regulation pro- bzw. anti-apoptotischer Gene vor Apoptose. Die mutierte Phosphorylierungsstelle im L1-Molekül ist essentiell für diese Prozesse. Die Anwendung neuer Therapien für Patienten mit L1-positiven Karzinomen kann mit Hinblick auf die guten Erfolge der Antikörper-basierenden Therapie mit dem mAk L1-11A diskutiert werden.

Mitrochondrial target discovery in diabetic skeletal muscle

This study identified the protein PARL (Presenilin-associated rhomboid like) as a potential mediator of the mitochondrial abnormalities that are observed in diabetic skeletal muscle. This was demonstrated by analysing PARL expression in an animal model of type 2 diabetes and by investigating the biological effects of genetic variation in the human PARL gene.

PSEN1 and PSEN2 Gene Expression in Alzheimer's Disease Brain: A New Approach

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Untersuchungen zur Beteiligung der Preseniline an den molekularen Mechanismen der Amyloid-ß Entstehung

ZusammenfassungMorbus Alzheimer ist eine progressive, neurodegenerative Erkrankung, die weltweit die häufigste Form der Demenz darstellt und im mittleren bis späten Lebensabschnitt auftritt. Die neuropathologischen Merkmale beinhalten das Auftreten von extrazellulären Ablagerungen aus fibrillogenem Aß42 Peptiden in senilen Plaques und intraneuronalen Akkumulationen von hyperphosphoryliertem Tau in sogenannten neurofibrillären Bündeln. Obwohl die meisten Alzheimer Fälle sporadisch und Alters-assoziiert auftreten, gibt es eine autosomal dominant vererbte Form (FAD; Familial Alzheimer Disease), die schon in einem frühen Lebensabschnitt (ab 28 Jahren) ausbrechen kann. Diese aggressive Alzheimer Form wird durch Mutationen im Amyloid-Precursor-Protein-Gen (APP) oder den Presenilin-Genen (PS-1 und PS-2) ausgelöst. Die Presenilin (PS) Proteine sind entscheidend an der Entstehung von Aß beteiligt. So erhöhen FAD-assoziierte Mutationen in PS-1 und PS-2 die Bildung von Aß42. Außerdem verhindern sowohl homozygote PS-1 Null-Mutationen (PS-1-/-) in transgenen Mäusen, als auch dominant negative PS-1 Mutationen in Kulturzellen die Ab Bildung. Diese Belege sprechen für die zur Zeit favorisierte Amyloid Hypothese, in der die toxische Wirkung des Aß-Peptides in der Entstehung der Alzheimer Erkrankung eine zentrale Rolle einnimmt. Die y-Sekretase ist eine Protease, deren Aktivität für die Entstehung von Ab aus dem Vorläuferprotein APP essentiell ist. Damit bildet sie einen möglichen Ansatzpunkt, um grundlegend in den Prozeß der Ab Bildung einzugreifen. Die y-Sekretase ist allerdings noch nicht identifiziert oder kloniert. Es gibt Hinweise, daß die Preseniline y-Sekretase Aktivität besitzen könnten. Diese Theorie ist bis heute jedoch nicht eindeutig belegt. In dieser Arbeit sollten die molekularen Mechanismen der Ab Entstehung und insbesondere die Beteiligung der Preseniline an diesem Prozeß untersucht werden. Dazu wurde zunächst die subzelluläre Verteilung der endogenen Preseniline analysiert. Es konnte erstmalig ein Unterschied in der subzellulären Verteilung zwischen PS-1 und PS-2 festgestellt werden. PS-1 war vorwiegend im ER lokalisiert, wogegen PS-2 stark im Golgi-Apparat angereichert war. Im zweiten Teil der Arbeit wurde nach möglichen Interaktionen der Preseniline mit C-terminalen APP Fragmenten gesucht, die die Substrate der y-Sekretase darstellen. Es konnte gezeigt werden, daß die Preseniline mit einem 21 kDa großen C-terminalen APP Fragment interagieren. Dabei band die Mutante-Form der Preseniline mehr C-terminales APP Fragment als die Wildtyp-Form. Weiterhin wurde ein zellfreies System zur indirekten Bestimmung der y-Sekretase Aktivität etabliert. Mit Hilfe dieses Systems wird es möglich, Inhibitoren der y-Sekretase zu identifizieren. Die Spezifität des zellfreien Testsystems konnte dadurch deutlich gemacht werden, daß das PS-1, das schon in Zellkultur als essentielle Proteinkomponente zur Entstehung von Aß beschrieben wurde, auch in diesem zellfreien y-Sekretase System notwendig war. Allgemeine Proteaseinhibitoren, die alle bekannten Proteasemechanismen abdeckten, zeigten keinen Einfluß auf die de novo Bildung von Aß. Es konnte festgestellt werden, daß neben der y-Sekretase als Aß produzierende Protease auch Aß abbauende Proteasen vorlagen. Das pH-Optimum der y-Sekretase wurde im neutralen Bereich festgestellt. Weiterhin konnte gezeigt werden, daß die y-Sekretase eine transmembrane oder zumindest membranassoziierte Protease ist, die keine cytosolischen Komponenten benötigt.

Die Prozessierung des humanen Amyloid-Vorläuferproteins im Verlauf der replikativen Seneszenz

Die Alterung stellt den größten Risikofaktor für die Entwicklung der Alzheimer Krankheit dar, wobei die biochemische Basis dieser Korrelation bisher nicht bekannt ist. Ein möglicherweise zentraler Mechanismus der Alzheimer Pathologie wird durch die Prozessierung von APP repräsentiert, die in der Synthese von Aβ resultiert. Der Einfluss zellulärer Alterung auf die Biochemie der APP-Prozessierung ist bislang weitestgehend ungeklärt. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass die Prozessierung von endogenem APP im Verlauf der Zellalterung humaner Fibroblasten progressiv verringert wird. Die Bildung der intrazellulären APP-Spaltfragmente (C99, C83 und AICD) nahm mit zunehmender Lebensspanne ab und war gleichfalls mit einer reduzierten Synthese von extrazellulären APP-Fragmenten (sAPP, sAPPα) verbunden. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass die Reifung von APP in seneszenten Zellen selektiv reduziert war, und dass dies durch altersabhängig erhöhte zelluläre Cholesterolspiegel vermittelt wurde. Von den APP-prozessierenden Sekretasen waren die Proteinspiegel von Presenilin-1 und Nicastrin, beides Komponenten der γ-Sekretase, im Verlauf der Zellalterung graduell verringert. Dies hatte einen progressiven Rückgang der enzymatischen Aktivität der γ-Sekretase zur Folge, wodurch die Prozessierung von APP unmittelbar reduziert wurde. Die Proteinspiegel von ADAM10, einer α-Sekretase, sowie der β-Sekretase, BACE, wiesen keine Altersregulation auf, aber interessanterweise wurde eine erhöhte enzymatische Aktivität der β-Sekretase in seneszenten Zellen nachgewiesen. Die γ-Sekretase sowie BACE sind in Lipid Rafts lokalisiert, geordneten Membransubdomänen, die hohe Cholesterol- und Caveolin-1-Spiegel aufweisen. Obwohl das Gesamtniveau dieser strukturellen Komponenten von Lipid Rafts in seneszenten Zellen erhöht war, war die Assoziation beider Moleküle mit Lipid Rafts reduziert und sie akkumulierten in speziellen Organellen, die höchstwahrscheinlich Lipidkörper darstellen. Somit wurde gezeigt, dass Lipid Rafts im Zuge der Zellalterung disintegrieren beziehungsweise in ihrem Gesamtspiegel reduziert waren. Diese altersabhängige Membranmodifikation war mit einer veränderten Verteilung von Presenilin-1 und BACE zwischen der Lipid Raft und der Nicht Raft Fraktion der Membran verbunden, die möglicherweise das Potential dieser Enzyme zur Prozessierung von APP reduzierte. In einem zweiten Teil der Arbeit wurden transgene C. elegans konstruiert, die humanes APP exprimieren, das C-terminal an GFP gekoppelt war. Diese Würmer wiesen eine reduzierte Fertilität, Eilegedefekte und eine verzögerte post-embryonale Entwicklung auf, die möglicherweise auf eine Transgen-vermittelte Neurodegeneration zurückgeführt werden können. Durch erste Untersuchungen der Prozessierung des Transgens konnten Spaltfragmente nachgewiesen werden, die potentiell auf eine spezifische Spaltung von APP durch die endogenen Sekretasen schließen lassen. Somit werden die Prozessierung sowie die Reifung von APP durch die altersabhängige Modifikationen zellulärer Biochemie nachhaltig beeinflusst. Zukünftige Studien sollen zeigen, ob sich diese zellulären Zusammenhänge in den Gesamtorganismus C. elegans übertragen lassen. Des Weiteren sollen die altersabhängigen zellulären Veränderungen, insbesondere des Cholesterol-Metabolismus und der Sekretaseaktivitäten, weitergehend analysiert werden, um zusätzliche Erkenntnisse über altersassoziierte Regulationen möglicher therapeutischer Ziele der Alzheimer Erkrankung zu gewinnen.

Der Einfluss der Zellalterung auf die pathobiochemischen Prozesse von Morbus Alzheimer und weiteren neurodegenerativen Erkrankungen

Die am häufigsten auftretende altersassoziierte neurodegenerative Krankheit ist die Alzheimer Demenz. Ein mit entscheidender Schritt bei der Entstehung der Alzheimer Erkrankung ist wahrscheinlich die Produktion des Aβ-Peptids durch proteolytische Spaltung das Amyloid-Vorläuferproteins APP. In der vorliegenden Arbeit wurde die altersabhängige Prozessierung des Amyloid-Vorläuferproteins (APP) in Fibroblasten von Hautbiopsien von Familiärer Alzheimer-, Trisomie21 und Niemann-Pick Typ C-Krankheit untersucht. Die in dieser Arbeit verwendeten Fibroblasten wurden bis zum Erreichen des zellulären Wachstumsstopps (replikative Seneszenz) seriell passagiert und die Untersuchungen erfolgten an Zellen aufsteigender PDL. Dabei zeigte sich, dass, unabhängig von dem durch die Krankheit vorliegenden genetischen biochemischen Hintergrund, die APP-Prozessierung im Laufe der Zellalterung progressiv verringert wird. Die altersabhängig ansteigenden Cholesterinspiegel führten zu einer Reduktion der APP-Reifung und infolge dessen nahmen sowohl die intrazellulären APP-Spaltfragmente (C99, C83 und AICD) als auch die extrazellulären APP-Fragmente (sAPPα, sAPP) ab. Ebenso konnte gezeigt werden, dass die γ-Sekretase-Aktivität abnimmt. Dies war verbunden mit einem Rückgang der Proteinspiegel von Nicastrin und Presenilin, beides Komponenten des γ-Sekretase-Komplexes. Obwohl die Proteinexpression der α-Sekretase ADAM10 altersassoziiert konstant blieb, nahm die α-Sekretase-Aktivität mit steigendem Lebensalter ab. Erste Untersuchungen zeigten, dass die NAD+-abhängige Histon-Deacetylase SIRT1 eine wichtige Rolle im Bezug auf die α-Sekretase-Aktivität spielen könnte. Im Gegensatz zu den Abnahmen der α- und γ-Sekretase-Aktivitäten konnte eine erhöhte Aktivität der β-Sekretase in seneszenten Zellen beobachtet werden. Die mRNA-Menge und Proteinspiegel der ß-Sekretase BACE1 blieben dabei unverändert. Des Weiteren zeigte sich eine Zunahme der β-Sekretase-Aktivität bei Behandlung von jungen Zellen mit konditioniertem Medium seneszenter Zellen. Da sensezente Zellen einem Proliferationsstopp in der G1-Phase unterliegen, wurde der Einfluss des Zellzyklus-Inhibitors Aphidicolin auf die β-Sekretase untersucht. Hier wurde sowohl in IMR90 Fibroblasten als auch in Neuroblastoma-Zellen N2a eine Zunahme der β-Sekretase-Aktivität nach Zugabe der Inhibitoren beobachtet. Auch kommt es im Zuge der Alterung zu einer verstärkten Expression inflammatorischer Zytokine, die mit der Entstehung von Aβ-Peptiden in Verbindung gebracht werden. Deshalb wurde der Einfluss von Zytokinen auf die β-Sekretase-Aktivität untersucht. Die Zugabe von Interferon-γ und Interleukin 6 führte bei jungen IMR90-Zellen zu einem Anstieg der β-Sekretase-Aktivität, während bei alten Zellen keine Änderung zu verzeichnen war.

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.

NOVEL MECHANISMS OF ANTIGEN PROCESSING THAT ENHANCE BCG VACCINE EFFICACY

Mycobacterium tuberculosis, the causative agent of tuberculosis, is the most lethal single infectious agent afflicting man today causing 2 million deaths per year. The World Health Organization recommends a vaccine as the best option to prevent this disease. The current vaccine, BCG, has a variable efficacy and does not protect adults. It is known that BCG vaccine becomes sequestered in special phagosome compartments of macrophages that do not fuse with lysosomes. Since lysosome fusion is necessary for peptide production and T cell priming leading to protective TH1 immunity, we hypothesized that vaccine efficacy is reduced and occurs perhaps due to non-lysosome dependent mechanisms. We therefore proposed an in depth analysis of phagosome environment, and its proteome to unravel mechanisms of antigen processing and presentation. We initially discovered that three mechanisms of pH regulation including vacuolar proton ATPase, phagocyte oxidase and superoxide dismutase (SOD) secretion from BCG vaccine affect antigen processing within phagosomes. These studies led to the discovery that a mutant of BCG vaccine which lacked SOD was a better vaccine. Subsequently, the proteomic analysis of vaccine phagosomes led to the discovery of novel protease (γ-secretase) enriched on BCG vaccine phagosomes. We then demonstrated that these proteases generated a peptide from the BCG vaccine which was presented through the MHC-II pathway to T cells and induced a TH1 response. The specificity of antigen production from γ-secretase was confirmed through siRNA knockdown of the components of the protease namely, nicastrin, presenilin and APH, which led to a decrease in antigen presentation. We therefore conclude that, even though BCG phagosomes are sequestered and do not fuse with lysosomes to generate peptide antigens, there are complex and novel in situ mechanisms within phagosomes that are capable of generating an immune response. We conclude that TH1 immunity to BCG vaccine arises mostly due to non-lysosome dependent immune mechanisms of macrophages and dendritic cells.

Neurotrophic factors [activity-dependent neurotrophic factor (ADNF) and basic fibroblast growth factor (bFGF)] interrupt excitotoxic neurodegenerative cascades promoted by a PS1 mutation

Although an excitotoxic mechanism of neuronal injury has been proposed to play a role in chronic neurodegenerative disorders such as Alzheimer’s disease, and neurotrophic factors have been put forward as potential therapeutic agents, direct evidence is lacking. Taking advantage of the fact that mutations in the presenilin-1 (PS1) gene are causally linked to many cases of early-onset inherited Alzheimer’s disease, we generated PS1 mutant knock-in mice and directly tested the excitotoxic and neurotrophic hypotheses of Alzheimer’s disease. Primary hippocampal neurons from PS1 mutant knock-in mice exhibited increased production of amyloid β-peptide 42/43 and increased vulnerability to excitotoxicity, which occurred in a gene dosage-dependent manner. Neurons expressing mutant PS1 exhibited enhanced calcium responses to glutamate and increased oxyradical production and mitochondrial dysfunction. Pretreatment with either basic fibroblast growth factor or activity-dependent neurotrophic factor protected neurons expressing mutant PS1 against excitotoxicity. Both basic fibroblast growth factor and activity-dependent neurotrophic factor stabilized intracellular calcium levels and abrogated the increased oxyradical production and mitochondrial dysfunction otherwise caused by the PS1 mutation. Our data indicate that neurotrophic factors can interrupt excitotoxic neurodegenerative cascades promoted by PS1 mutations.

Additional evidence for an eight-transmembrane-domain topology for Caenorhabditis elegans and human presenilins

Presenilins have been implicated in the genesis of Alzheimer’s disease and in facilitating LIN-12/Notch activity during development. All presenilins have multiple hydrophobic regions that could theoretically span a membrane, and a description of the membrane topology is a crucial step toward deducing the mechanism of presenilin function. Previously, we proposed an eight-transmembrane-domain model for presenilin, based on studies of the Caenorhabditis elegans SEL-12 presenilin. Here, we describe experiments that support the view that two of the hydrophobic regions of SEL-12 function as the seventh and eighth transmembrane domains. Furthermore, we have shown that human presenilin 1 behaves like SEL-12 presenilin when analyzed by our methods. Our results provide additional experimental support for the eight-transmembrane-domain model of presenilin topology.

Human aspartic protease memapsin 2 cleaves the β-secretase site of β-amyloid precursor protein

The cDNAs of two new human membrane-associated aspartic proteases, memapsin 1 and memapsin 2, have been cloned and sequenced. The deduced amino acid sequences show that each contains the typical pre, pro, and aspartic protease regions, but each also has a C-terminal extension of over 80 residues, which includes a single transmembrane domain and a C-terminal cytosolic domain. Memapsin 2 mRNA is abundant in human brain. The protease domain of memapsin 2 cDNA was expressed in Escherichia coli and was purified. Recombinant memapsin 2 specifically hydrolyzed peptides derived from the β-secretase site of both the wild-type and Swedish mutant β-amyloid precursor protein (APP) with over 60-fold increase of catalytic efficiency for the latter. Expression of APP and memapsin 2 in HeLa cells showed that memapsin 2 cleaved the β-secretase site of APP intracellularly. These and other results suggest that memapsin 2 fits all of the criteria of β-secretase, which catalyzes the rate-limiting step of the in vivo production of the β-amyloid (Aβ) peptide leading to the progression of Alzheimer's disease. Recombinant memapsin 2 also cleaved a peptide derived from the processing site of presenilin 1, albeit with poor kinetic efficiency. Alignment of cleavage site sequences of peptides indicates that the specificity of memapsin 2 resides mainly at the S1′ subsite, which prefers small side chains such as Ala, Ser, and Asp.

Reverse genetic analysis of Caenorhabditis elegans presenilins reveals redundant but unequal roles for sel-12 and hop-1 in Notch-pathway signaling

Mutations in the human presenilin genes PS1 and PS2 cause early-onset Alzheimer’s disease. Studies in Caenorhabditis elegans and in mice indicate that one function of presenilin genes is to facilitate Notch-pathway signaling. Notably, mutations in the C. elegans presenilin gene sel-12 reduce signaling through an activated version of the Notch receptor LIN-12. To investigate the function of a second C. elegans presenilin gene hop-1 and to examine possible genetic interactions between hop-1 and sel-12, we used a reverse genetic strategy to isolate deletion alleles of both loci. Animals bearing both hop-1 and sel-12 deletions displayed new phenotypes not observed in animals bearing either single deletion. These new phenotypes—germ-line proliferation defects, maternal-effect embryonic lethality, and somatic gonad defects—resemble those resulting from a reduction in signaling through the C. elegans Notch receptors GLP-1 and LIN-12. Thus SEL-12 and HOP-1 appear to function redundantly in promoting Notch-pathway signaling. Phenotypic analyses of hop-1 and sel-12 single and double mutant animals suggest that sel-12 provides more presenilin function than does hop-1.

Spatial correlations between beta-amyloid (Abeta) deposits and blood vessels in early-onset Alzheimer's disease

In cases of late-onset Alzheimer’s disease (AD), there is a spatial correlation between the classsic ‘cored’ type of Beta-amyloid (Abeta) deposit and the large vertically penetrating arterioles in the cerebral cortex suggesting that blood vessels are involved in the pathogenesis of the classic deposits. In this chapter, the spatial correlations between the diffuse, primitive, and classic Abeta deposits and blood vessels were studied in 10 cases of early-onset AD in the age range 40 – 65 years. Sections of frontal cortex were immunostained with antibodies against Abeta?and with collagen IV to reveal the Abeta deposits and blood vessel profiles. In the early-onset cases as a whole, all types of Abeta? deposit and blood vessel profiles were distributed in clusters. There was a positive spatial correlation between the clusters of the diffuse Abeta deposits and the larger (>10µm) and smaller diameter (<10?m) blood vessel profiles in one and three cases respectively. The primitive and classic Abeta deposits were spatially correlated with larger and smaller blood vessels both in three and four cases respectively. Spatial correlations between the Abeta deposits and blood vessels may be more prevalent in cases expressing amyloid precursor protein (APP) than presenilin 1 (PSEN1) mutations. Apolipoprotein E (Apo E) genotype of the patient did not appear to influence the spatial correlation with blood vessel profiles. The data suggest that the larger diameter blood vessels are less important in the pathogenesis of the classic Abeta deposits in early-onset compared with late-onset AD.