Self-assembly in aqueous solution of a modified amyloid beta peptide fragment

The self-assembly in films dried from aqueous solutions of a modified amyloid beta peptide fragment is studied. We focus on sequence A beta(16-20), KLVFF, extended by two alanines at the N-terminus to give AAKLVFF. Self-assembly into twisted ribbon fibrils is observed, as confirmed by transmission electron microscopy (TEM). Dynamic light scattering reveals the semi-flexible nature of the AAKLVFF fibrils, while polarized optical microscopy shows that the peptide fibrils crystallize after an aqueous solution of AAKLVFF is matured over 5 days. The secondary structure of the fibrils is studied by FT-IR, circular dichroism and X-ray diffraction (XRD), which provide evidence for beta-sheet structure in the fibril. From high resolution TEM it is concluded that the average width of an AAKLVFF fibril is (63 +/- 18) nm, indicating that these fibrils comprise beta-sheets with multiple repeats of the unit cell, determined by XRD to have b and c dimensions 1.9 and 4.4 nm with an a axis 0.96 nm, corresponding to twice the peptide backbone spacing in the antiparallel beta-sheet. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Influence of the solvent on the self-assembly of a modified amyloid beta peptide fragment. I. Morphological investigation

The solvent-induced transition between self-assembled structures formed by the peptide AAKLVFF is studied via electron microscopy, light scattering, and spectroscopic techniques. The peptide is based on a core fragment of the amyloid beta-peptide, KLVFF, extended by two alanine residues. AAKLVFF exhibits distinct structures of twisted fibrils in water or nanotubes in methanol. For intermediate water/methanol compositions, these structures are disrupted and replaced by wide filamentous tapes that appear to be lateral aggregates of thin protofilaments. The orientation of the beta-strands in the twisted tapes or nanotubes can be deduced from X-ray diffraction on aligned stalks, as well as FT-IR experiments in transmission compared to attenuated total reflection. Strands are aligned perpendicular to the axis of the twisted fibrils or the nanotubes. The results are interpreted in light of recent results on the effect of competitive hydrogen bonding upon self-assembly in soft materials in water/methanol mixtures.

The effect of PEG crystallization on the morphology of PEG/peptide block copolymers containing amyloid beta-peptide fragments

Ordered nanostructures are observed in the melt and solid state for a series of three peptide/PEG conjugates containing fragments of amyloid beta-peptides. These are conjugated to PEG with (M) over bar (n) = 3 300 g.mol(-1) and a melting temperature T-m = 45-50 degrees C. The morphology at room temperature is examined by AFM and POM. This shows spherulite formation for the weakly fibrillizing KLVFF-PEG sample but fibril formation for FFKLVFF-PEG. The fibrillization tendency of the latter is enhanced by multiple phenylalanine residues. Simultaneous SAXS and WAXS was used to investigate the morphology as a function of temperature. The secondary structure is probed by FTIR.

Influence of the solvent on the self-assembly of a modified amyloid beta peptide fragment. II. NMR and computer simulation investigation

The conformation of a model peptide AAKLVFF based on a fragment of the amyloid beta peptide A beta 16-20, KLVFF, is investigated in methanol and water via solution NMR experiments and Molecular dynamics computer simulations. In previous work, we have shown that AAKLVFF forms peptide nanotubes in methanol and twisted fibrils in water. Chemical shift measurements were used to investigate the solubility of the peptide as a function of concentration in methanol and water. This enabled the determination of critical aggregation concentrations, The Solubility was lower in water. In dilute solution, diffusion coefficients revealed the presence of intermediate aggregates in concentrated solution, coexisting with NMR-silent larger aggregates, presumed to be beta-sheets. In water, diffusion coefficients did not change appreciably with concentration, indicating the presence mainly of monomers, coexisting with larger aggregates in more concentrated solution. Concentration-dependent chemical shift measurements indicated a folded conformation for the monomers/intermediate aggregates in dilute methanol, with unfolding at higher concentration. In water, an antiparallel arrangement of strands was indicated by certain ROESY peak correlations. The temperature-dependent solubility of AAKLVFF in methanol was well described by a van't Hoff analysis, providing a solubilization enthalpy and entropy. This pointed to the importance of solvophobic interactions in the self-assembly process. Molecular dynamics Simulations constrained by NOE values from NMR suggested disordered reverse turn structures for the monomer, with an antiparallel twisted conformation for dimers. To model the beta-sheet structures formed at higher concentration, possible model arrangements of strands into beta-sheets with parallel and antiparallel configurations and different stacking sequences were used as the basis for MD simulations; two particular arrangements of antiparallel beta-sheets were found to be stable, one being linear and twisted and the other twisted in two directions. These structures Were used to simulate Circular dichroism spectra. The roles of aromatic stacking interactions and charge transfer effects were also examined. Simulated spectra were found to be similar to those observed experimentally.(in water or methanol) which show a maximum at 215 or 218 nm due to pi-pi* interactions, when allowance is made for a 15-18 nm red-shift that may be due to light scattering effects.

Amyloid peptides incorporating a core sequence from the amyloid beta peptide and gamma amino acids: relating bioactivity to self-assembly

A series of heptapeptides comprising the core sequence Ab(16–20), KLVFF, of the amyloid b peptide coupled with paired N-terminal c-amino acids are investigated in terms of cytotoxicity reduction and binding to the full Ab peptide, both pointing to inhibition of fibrillisation for selected compounds. This is related to the self-assembly capacity of the heptapeptides.

Neurodegeneration and Increased Production of Nitrotyrosine, Nitric Oxide Synthase, IFN-gamma and S100 beta Protein in the Spinal Cord of IL-12p40-Deficient Mice Infected with Trypanosoma cruzi

Background/Aim: Chagas` disease is caused by Trypanosoma cruzi and occurs in most Latin American countries. The protozoan may colonize the central nervous system (CNS) of immune-compromised human hosts, thus causing neuronal disorders. Systemic control of the intracellular forms of the parasite greatly depends on the establishment of a TH1 response and subsequent nitric oxide (NO) release. At the CNS, it is known that low concentrations of NO promote neuronal survival and growth, while high concentrations exert toxic effects and neuron death. Accounting for NO production by astrocytes is the glia-derived factor S100 beta, which is overproduced in some neurodegenerative diseases. In the current work, we studied the expression of NO, interferon (IFN)-gamma and S100 beta in the spinal cord tissue of IL-12p40KO mice infected with T. cruzi, a model of neurodegenerative process. Methods: IL-12p40KO and wild-type (WT) female mice infected with T. cruzi Sylvio X10/4 (10(5) trypomastigotes, intraperitoneally) were euthanized when IL-12p40KO individuals presented limb paralysis. Spinal cord sections were submitted to immunohistochemical procedures for localization of neurofilament, laminin, nitrotyrosine, NO synthases (NOS), IFN-gamma and S100 beta. The total number of neurons was estimated by stereological analysis and the area and intensity of immunoreactivities were assessed by microdensitometric/morphometric image analysis. Results: No lesion was found in the spinal cord sections of WT mice, while morphological disarrangements, many inflammatory foci, enlarged vessels, amastigote nests and dying neurons were seen at various levels of IL-12p40KO spinal cord. Compared to WT mice, IL-12p40KO mice presented a decrement on total number of neurons (46.4%, p<0.05) and showed increased values of immunoreactive area for nitrotyrosine (239%, p<0.01) and NOS (544%, p<0.001). Moreover, the intensity of nitrotyrosine (16%, p<0.01), NOS (38%, p<0.05) and S100 beta (21%, p<0.001) immunoreactivities were also augmented. No IFN-gamma labeled cells were seen in WT spinal cord tissue, contrary to IL-12p40KO tissue that displayed inflammatory infiltrating cells and also some parenchymal cells positively labeled.Conclusion: We suggest that overproduction of NO may account for neuronal death at the spinal cord of T. cruzi-infected IL-12p40KO mice and that IFN-gamma and S100 beta may contribute to NOS activation in the absence of IL-12. Copyright (C) 2009 S. Karger AG, Basel

S100 beta Protein Expression: Gender- and Age-Related Daily Changes

S100 beta is a soluble protein released by glial cells mainly under the activation of the 5-HT1A receptor. It has been reported as a neuro-trophic and -tropic factor that promotes neurite maturation and outgrowth during development. This protein also plays a role in axonal stability and the plasticity underlying long-term potentiation in adult brains. The ability of S100 beta to rapidly regulate neuronal morphology raises the interesting point of whether there are daily rhythm or gender differences in S100 beta level in the brain. To answer this question, the S100 beta expression in adult female and male rats, as well as in adult female CD-21 and S100 beta -/- female mice, were investigated. Scintillation counting and morphometric analysis of the immunoreactivity of S100 beta, showed rhythmic daily expression. The female and male rats showed opposite cycles. Females presented the highest value at the beginning of the rest phase (5:00 h), while in males the maximum value appeared in the beginning of the motor activity period (21:00 h). These results confirm previous S100 beta evaluations in human serum and cerebrospinal fluid reporting the protein`s function as a biomarker for brain damage (Gazzolo et al. in Clin Chem 49:967-970, 2003; Clin Chim Acta 330:131-133, 2003; Pediatr Res 58:1170-1174, 2005), similar behavior was also observed for GFAP in relation to Alzheimer Disease (Fukuyama et al. in Eur Neurol 46:35-38, 2001). The data should be taken into account when considering S100 beta as a biomarker of health condition. In addition, the results raise questions on which structure or condition imposes these rhythms as well as on the physiological meaning of the observed gender differences.

Reduced platelet amyloid precursor protein ratio (APP ratio) predicts conversion from mild cognitive impairment to Alzheimer's disease

Studies have shown that platelet APP ratio (representing the percentage of 120-130 kDa to 110 kDa isoforms of the amyloid precursor protein) is reduced in patients with mild cognitive impairment (MCI) and Alzheimer's disease (AD). In the present study, we sought to determine if baseline APP ratio predicts the conversion from MCI to AD dementia after 4 years of longitudinal assessment. Fifty-five older adults with varying degrees of cognitive impairment (34 with MCI and 21 with AD) were assessed at baseline and after 4 years. MCI patients were re-classified according to the conversion status upon follow-up: 25 individuals retained the diagnostic status of MCI and were considered as stable cases (MCI-MCI); conversely, in nine cases the diagnosis of dementia due to AD was ascertained. The APP ratio (APPr) was determined by the Western blot method in samples of platelets collected at baseline. We found a significant reduction of APPr in MCI patients who converted to dementia upon follow-up. These individuals had baseline APPr values similar to those of demented AD patients. The overall accuracy of APPr to identify subjects with MCI who will progress to AD was 0.74 +/- A 0.10, p = 0.05. The cut-off of 1.12 yielded a sensitivity of 75 % and a specificity of 75 %. Platelet APPr may be a surrogate marker of the disease process in AD, with potential implications for the assessment of abnormalities in the APP metabolism in patients with and at risk for dementia. However, diagnostic accuracy was relatively low. Therefore, studies in larger samples are needed to determine whether APPr may warrant its use as a biomarker to support the early diagnosis of AD.

Analysis of the mRNA expression of the S100 beta protein in adipocytes of patients with diabetes mellitus, type 2

Objective: This study aims to explore the possible relationship between the expression level of S100 beta protein mRNA with diabetes mellitus type 2 in adipocytes from patients with this disease in comparison with normoglycemic individuals. Materials and methods: Samples of adipose tissue of eight patients from the coronary section of the Institute Dante Pazzanese of Cardiology (IDPC), four in Group Diabetes and four of Normoglycemic group, were evaluated by RT-PCR real time. Results: An increase around 15 times values, between the threshold cycle (Delta Ct), of mRNA expression of S100 beta protein in adipocytes of the diabetes group was observed in comparison to the control group (p = 0.015). Conclusion: Our results indicate, for the first time, that there is coexistence of increased expression of the S100 beta and the type 2 diabetes mellitus gene. Arq Bras Endocrinol Metab. 2012;56(7):435-40

Proteolyse des Amyloid-Vorläufer-Protein-verwandten APLP2 durch alpha-Sekretasen

Die im Laufe der Evolution konservierte Genfamilie des Amyloid-Vorläufer-Proteins APP beinhaltet sowohl bei der Maus als auch beim Menschen die beiden APP-ähnlichen ProteineAPLP1 und APLP2. Ziel dieser Arbeit war es, die proteolytische Prozessierung des APLP2 zu charakterisieren und die beteiligten Proteasen aufzuzeigen. Ausgehend von Stimulations- und Inhibitionsversuchen wurde die Metzincin-Familie der Metalloproteinasen als APLP2-Proteasen identifiziert. Durch Überexpression von ADAM10 und TACE (ADAM17) konnten zwei wichtige Prozessierungs-Enzyme des APLP2 charakterisiert werden. Damit wurde zum ersten Mal eine α-Sekretase-ähnliche Enzymaktivität analog zu der Spaltung des APP an APLP2 beschrieben. Untersuchungen an ADAM10-transgenen Mäusen bestätigten die proteolytische Prozessierung des APLP2 in vivo. Durch die Untersuchung neuronaler Differenzierung mit Retinsäure und Apoptose in Neuroblastoma-Zellen gelang der Nachweis einer funktionellen Koregulation von APLP2 und seiner Protease ADAM10, die zu einer erhöhten Freisetzung des neurotrophen löslichen APLP2 bei der Differenzierung und zu einer Reduktion bei Apoptose führt. In den Gehirnen von Alzheimer-Patienten gibt es sowohl Hinweise auf einen gestörten Vitamin A Metabolismus als auch auf verstärkte apoptotische Vorgänge, so dass hier erstmalig eine Verknüpfung der APLP2-Proteolyse mit zwei pathogenen Prozessen des Morbus Alzheimergezeigt werden konnten. Eine therapeutische Aktivierung der α-Sekretasen hätte die verstärkte Bildung von neurotrophem APPsα und APLP2s zur Folge. Es bestünde jedoch gleichzeitig die Gefahr von Nebenwirkungen durch die Spaltung weiterer Substrate wie der Notch-Rezeptoren oder des Prionenproteins. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Notch-1 prinzipiell ein Substrat für ADAM10 darstellt, die Auswirkungen in vivo jedoch begrenzt und altersabhängig sind. Für das Prionenprotein ergab sich keine direkte Beeinflussung durch eine Spaltung, sondern vielmehr eine Expressionsminderung durch die Überexpression von ADAM10 in Mäusen. Die Inkubationszeit bei der Prionenerkrankung hängt von der Menge des endogenen zellulären Prionenproteins ab. Daher ergibt sich aus einer Steigerung der α-Sekretase-Aktivität eine potentielle Prävention gegenüber einer Infektion mit der pathogenen Scrapie-Form des Prionenproteins.

Modulation der Genexpression und des neuronalen Zelltods durch das Amyloid-Vorläufer-Protein (APP)

Das Amyloid-Vorläufer-Protein (APP) spielt eine zentrale Rolle in der Entstehung und Entwicklung von Morbus Alzheimer. Hierbei ist die proteolytische Prozessierung von APP von entscheidender Bedeutung. Das Verhältnis von neurotoxischen und neuroprotektiven Spaltprodukten, die über den amyloidogenen und nicht-amyloidogenen Weg der APP-Prozessierung gebildeten werden, ist für das Überleben von Neuronen und deren Resistenz gegen zytotoxische Stress-Stimuli von hoher Relevanz. Störungen der Calcium-Homöostase sind ein bekanntes Phänomen bei Morbus Alzheimer. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von überexprimiertem APP in der Regulation des neuronalen Zelltods nach Calcium Freisetzung untersucht. Die Calcium Freisetzung aus dem endoplasmatischen Retikulum wurde durch die Inhibition der sarko- und endoplasmatischen Calcium-ATPasen (SERCA) ausgelöst. Dies führt zur Induktion der sogenannten „unfolded protein response“ (UPR) und zu einer Aktivierung von Effektor-Caspasen. Für APP-überexprimierende PC12 Zellen konnte bereits zuvor eine im Vergleich zur Kontrolle nach der durch Calcium Freisetzung-induzierten Apoptose eine erhöhte intrazelluläre Calcium Konzentration nachgewiesen werden. Über die Messung der Aktivierung von Effektor-Caspasen konnte zudem ein gesteigerter Zelltod in den APP-überexprimierenden Zellen gemessen werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass der pro-apoptotische Transkriptionsfaktor CHOP, nicht aber die klassischen UPR-Zielgene spezifisch hochreguliert wurden. Die APP-modulierte gesteigerte Induktion von Apoptose nach Calcium Freisezung konnte durch Komplexierung der intrazellulären Calcium Ionen und durch Knockdown von CHOP im Vergleich zur Kontrolle gänzlich unterdrückt werden. Ferner bewirkte die Inhibition der Speicher-aktivierten Calcium-Kanälen (SOCC) eine signifikante Unterdrückung der beobachteten erhöhten intrazellulären Calcium Konzentration und der gesteigerten Apoptose in den APP-überexprimierenden PC12 Zellen. In diesem Teil der Arbeit konnte eindeutig gezeigt werden, dass APP in der Lage ist den durch Calcium-Freisetzung-induzierten Zelltod zu potenzieren. Diese Modulation durch APP verläuft in einer UPR-unabhängigen Reaktion über die Aktivierung von SOCC’s, einer erhöhten Aufnahme von extrazellulärem Calcium und durch erhöhte Induktion des pro-apoptotischen Transkriptionsfaktors CHOP. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die sAPPα-vermittelte Neuroprotektion untersucht. Dabei handelt es sich um die N-terminale Ektodomäne von APP, die über die Aktivität der α-Sekretase prozessiert wird und anschließend extrazellulär abgegeben wird. Ziel dieser Versuchsreihe war die neuroprotektive physiologische Funktion von APP im Hinblick auf den Schutz von neuronalen Zellen vor diversen für Morbus Alzheimer relevanten Stress-Stimuli bzw. Apoptose-Stimuli zu untersuchen. Durch die Analyse der Effektor-Caspasen konnte gezeigt werden, dass sAPPα in der Lage ist PC12 Zellen potent vor oxidativem Stress, DNA-Schäden, Hypoxie, proteasomalem Stress und Calcium-Freisetzung zu schützen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass sAPPα in der Lage ist den pro-apoptotischen Stress-induzierten JNK/Akt-Signalweg zu inhibieren. Eine Beteiligung des anti-apoptotischen PI3K/Akt-Signalwegs bei der sAPPα-vermittelten Protektion konnte über die Inhibition der PI3-Kinase ebenfalls demonstriert werden, die eine Aufhebung der sAPPα-vermittelten Neuroprotektion bewirkte. Diese Daten zeigen neue molekulare Mechanismen auf, die dem sAPPα-vermittelten Schutz vor pathophysiologisch relevanten Stress-Stimuli in neuronalen Zellen zugrunde liegen. Im letzten Teil der Arbeit wurden verschieden Gruppen von pharmakologischen Substanzen im Hinblick auf ihre neuroprotektive Wirkung untersucht und mit ihren Effekten auf den APP-Metabolismus korreliert. Die Untersuchungen ergaben, dass Galantamin, ein schwacher Acetycholinesterase Inhibitor und allosterisch potenzierender Ligand von nikotinischen Acetylcholin-Rezeptoren in der Lage war, naive, und mit noch höherer Effizienz APP-überexprimierende Zelllinien vor dem Stress-induzierten Zelltod zu schützen. Zudem bewirkte Galantamin in APP-überexprimierenden HEK293 Zellen eine rasche Erhöhung der sAPPα Sekretion, so dass hier von einer Rezeptor-vermittelten Modulation des APP Metabolismus ausgegangen werden kann. Omega-3 Fettsäuren wirken sich positiv auf die Membranfluidität von Zellen aus und es konnte bereits gezeigt werden, dass die Bildung des toxischen Aβ Peptids hierdurch vermindert wird. In Analogie zu Galantamin schützte die Omega-3 Fettsäure Docosahexaensäure (DHA) neuronale Zellen vor dem Stress-induzierten Zelltod, wobei der Schutz in APP-überexprimierenden Zellen besonders effizient war. Diese Daten legen nahe, dass die Aktivierung des antiamyloidogenen Wegs der APP-Prozessierung ein viel versprechender Ansatz für die Entwicklung neuer Therapien gegen Morbus Alzheimer sein könnte.