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.

Untersuchungen zur Induktion von Filopodien durch das Amyloid Precursor Like Protein 1 (APLP1), ein Mitglied der APP-Genfamilie

Die Alzheimer Krankheit ist eine fortschreitendende Demenzerkrankung von der in Deutschland ca. 1,6 Millionen Menschen betroffen sind. Im Gehirn der Patienten finden sich sogenannte amyloide Plaques, deren Hauptbestandteil das Aβ-Protein ist. Dieses Peptid ist ein Spaltprodukt des APP-Proteins (engl. amyloid precursor protein). APP ist das namensgebende Mitglied der APP-Proteinfamilie zu der neben APP die beiden APP-Homologen APLP1 und APLP2 (engl. amyloid precursor like protein) gehören. Obwohl inzwischen über die pathologische Rolle dieser Proteinfamilie bei der Alzheimer Krankheit vieles bekannt ist, bleiben die physiologischen Funktionen dieser Proteine bisher größtenteils ungeklärt. Die vorliegende Arbeit beschreibt erstmals einen APLP1-spezifischen Effekt auf die Ausbildung von Filopodien. Sowohl das humane als auch das murine APLP1 induzierten nach transienter Überexpression die Bildung zahlreicher filopodialer Fortsätze auf der Membran von PC12-Zellen. Vergleichbare Resultate konnten mit beiden APLP1-Proteinen auch auf der Membran von embryonalen (E18.5), cortikalen Neuronen der Ratte gezeigt werden. Dass APLP1 einen derartigen Effekt auf Neuronen und PC12-Zellen zeigt, begründet die Annahme, dass APLP1 in vivo eine Funktion bei der Entwicklung und Differenzierung von Neuronen übernimmt. Anhand von Versuchen mit deletierten APLP1-Proteinen und APLP1/APLP2-Chimärproteinen konnte gezeigt werden, dass die von Exon 5 und Exon 6 codierten Bereiche des APLP1 für die Induktion der Filopodien essentiell sind. Unter Einbeziehung von in ihrer räumlichen Struktur bereits bekannten Domänen und aufgrund von Homologievergleichen der primären Aminosäuresequenz dieser Region mit entsprechenden Bereichen der APP- bzw. APLP2-Proteine wurde die wahrscheinliche Lage der Filopodien-induzierenden Domäne innerhalb des von Exon 6 codierten Bereiches diskutiert. Es konnte ferner gezeigt werden, dass die untersuchte Induktion von Filopodien durch die sogenannte α-Sekretierung moduliert werden kann. Unter den gewählten Versuchsbedingungen war nur membranständiges APLP1, nicht aber sekretiertes APLP1 in der Lage, Filopodien zu induzieren. Abschliessend wurden Ergebnisse gezeigt, die erste Einblicke in Signalkaskaden erlauben, die von APLP1 angesteuert werden und so die Enstehung der Filopodien auslösen. Bezüglich des primären Prozesses der Signalkaskade, der Bindung von APLP1 an einen bisher unbekannten Rezeptor, wurde die Möglichkeit diskutiert, ob APP oder APLP2 oder sogar APLP1 selbst als Rezeptor fungieren könnten. Die beobachteten Prozesse nach Überexpression von APLP1 entsprechen vermutlich einer physiologischen Funktion bei der Differenzierung von Neuronen, die mit der Interaktion einer extrazellulär gelegenen Domäne mit einem Rezeptor beginnt, die Aktivierung einer Signalkaskade zur Akrinreorganisation zu Folge hat und die Entstehung filopodialer Strukturen auslöst.

Molecular interaction of the human metalloprotease meprin beta with the amyloid precursor protein, ADAM10, and ADAM17 based on proteomics

Die Zinkendopeptidasen Meprin α und β sind Schlüsselkomponenten in patho(physiologischen) Prozessen wie Entzündung, Kollagenassemblierung und Angiogenese. Nach ihrer Entdeckung in murinen Bürstensaummembranen und humanen Darmepithelien, wurden weitere Expressionsorte identifiziert, z.B. Leukozyten, Krebszellen und die humane Haut. Tiermodelle, Zellkulturen und biochemische Analysen weisen auf Funktionen der Meprine in der Epithelialdifferenzierung, Zellmigration, Matrixmodellierung, Angiogenese, Bindegewebsausbildung und immunologische Prozesse hin. Dennoch sind ihre physiologischen Substrate weitgehend noch unbekannt. Massenspektrometrisch basierte Proteomics-Analysen enthüllten eine einzigartige Spaltspezifität für saure Aminosäurereste in der P1´ Position und identifizierten neue biologische Substratkandidaten. Unter den 269 extrazellulären Proteinen, die in einem Substratscreen identifiziert wurden, stellten sich das amyloid precursor protein (APP) and ADAM10 (a disintegrin and metalloprotease 10) als sehr vielversprechende Kandidaten heraus. Mehrere Schnittstellen innerhalb des APP Proteins, hervorgerufen durch verschiedenen Proteasen, haben unterschiedlichen Auswirkungen zur Folge. Die β-Sekretase BACE (β-site APP cleaving enzyme) prozessiert APP an einer Schnittstelle, welche als initialer Schritt in der Entwicklung der Alzheimer Erkrankung gilt. Toxische Aβ (Amyloid β)-Peptide werden in den extrazellulären Raum freigesetzt und aggregieren dort zu senilen Plaques. Membran verankertes Meprin β hat eine β-Sekretase Aktivität, die in einem Zellkultur-basierten System bestätigt werden konnte. Die proteolytische Effizienz von Meprin β wurde in FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer)-Analysen bestimmt und war um den Faktor 104 höher als die von BACE1. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Meprin β die ersten zwei Aminosäuren prozessiert und somit aminoterminal einen Glutamatrest freisetzt, welcher nachfolgend durch die Glutaminylzyklase in ein Pyroglutamat zykliert werden kann. Trunkierte Aβ-Peptide werden nur in Alzheimer Patienten generiert. Aufgrund einer erhöhten Hydrophobie weisen diese Peptide eine höhere Tendenz zur Aggregation auf und somit eine erhöhte Toxizität. Bis heute wurde keine Protease identifiziert, welche diese Schnittstelle prozessiert. Die Bildung der Meprin vermittelten N-terminalen APP Fragmenten wurde in vitro und in vivo detektiert. Diese N-APP Peptide hatten keine cytotoxischen Auswirkungen auf murine und humane Gehirnzellen, obwohl zuvor N-APP als Ligand für den death receptor (DR) 6 identifiziert wurde, der für axonale Degenerationsprozesse verantwortlich ist. rnIm nicht-amyloidogenen Weg prozessiert ADAM10 APP und entlässt die Ektodomäne von der Zellmembran. Wir konnten das ADAM10 Propeptid als Substrat von Meprin β identifizieren und in FRET Analysen, in vitro und in vivo zeigen, dass die Meprin vermittelte Prozessierung zu einer erhöhten ADAM10 Aktivität führt. Darüber hinaus wurde ADAM10 als Sheddase für Meprin β identifiziert. Shedding konnte durch Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) oder durch das Ionophor A23187 hervorgerufen werden, sowie durch ADAM10 Inhibitoren blockiert werden. rnDiese Arbeit konnte somit ein komplexes proteolytisches Netwerk innerhalb der Neurophysiologie aufdecken, welches für die Entwicklung der Alzheimer Demenz wichtig sein kann.rn

Constitutive and regulated α-secretase cleavage of Alzheimer’s amyloid precursor protein by a disintegrin metalloprotease

Amyloid β peptide (Aβ), the principal proteinaceous component of amyloid plaques in brains of Alzheimer’s disease patients, is derived by proteolytic cleavage of the amyloid precursor protein (APP). Proteolytic cleavage of APP by a putative α-secretase within the Aβ sequence precludes the formation of the amyloidogenic peptides and leads to the release of soluble APPsα into the medium. By overexpression of a disintegrin and metalloprotease (ADAM), classified as ADAM 10, in HEK 293 cells, basal and protein kinase C-stimulated α-secretase activity was increased severalfold. The proteolytically activated form of ADAM 10 was localized by cell surface biotinylation in the plasma membrane, but the majority of the proenzyme was found in the Golgi. These results support the view that APP is cleaved both at the cell surface and along the secretory pathway. Endogenous α-secretase activity was inhibited by a dominant negative form of ADAM 10 with a point mutation in the zinc binding site. Studies with purified ADAM 10 and Aβ fragments confirm the correct α-secretase cleavage site and demonstrate a dependence on the substrate’s conformation. Our results provide evidence that ADAM 10 has α-secretase activity and many properties expected for the proteolytic processing of APP. Increases of its expression and activity might be beneficial for the treatment of Alzheimer’s disease.

Inhibition of the electrostatic interaction between β-amyloid peptide and membranes prevents β-amyloid-induced toxicity

The accumulation of β-amyloid peptides (Aβ) into senile plaques is one of the hallmarks of Alzheimer disease. Aggregated Aβ is toxic to cells in culture and this has been considered to be the cause of neurodegeneration that occurs in the Alzheimer disease brain. The discovery of compounds that prevent Aβ toxicity may lead to a better understanding of the processes involved and ultimately to possible therapeutic drugs. Low nanomolar concentrations of Aβ1-42 and the toxic fragment Aβ25-35 have been demonstrated to render cells more sensitive to subsequent insults as manifested by an increased sensitivity to formazan crystals following MTT (3-[4,5-dimethylthiazol-2-yl]-2,5-diphenyltetrazolium bromide) reduction. Formation of the toxic β-sheet conformation by Aβ peptides is increased by negatively charged membranes. Here we demonstrate that phloretin and exifone, dipolar compounds that decrease the effective negative charge of membranes, prevent association of Aβ1-40 and Aβ25-35 to negatively charged lipid vesicles and Aβ induced cell toxicity. These results suggest that Aβ toxicity is mediated through a nonspecific physicochemical interaction with cell membranes.

Amyloid β peptide alters intracellular vesicle trafficking and cholesterol homeostasis

Amyloid β peptide (Aβ) is thought to play a central role in the pathogenesis of Alzheimer disease (AD). How Aβ induces neurodegeneration in AD is not known. A connection between AD and cholesterol metabolism is suggested by the finding that people with the apolipoprotein E4 allele, a locus coding for a cholesterol-transporting lipoprotein, have a modified risk for both late-onset AD and cardiovascular disease. In the present study we show that both Aβ and submicromolar concentrations of free cholesterol alter the trafficking of a population of intracellular vesicles that are involved in the transport of the reduced form of the tetrazolium dye 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT formazan), the formation of which is a widely used cell viability assay. Treatments that change cellular free cholesterol levels also modulate the trafficking of the MTT formazan-containing vesicles, suggesting that the trafficking of these vesicles may be regulated by free cholesterol under physiological conditions. In addition, Aβ decreases cholesterol esterification and changes the distribution of free cholesterol in neurons. These results suggest that the MTT formazan-transporting vesicles may be involved in cellular cholesterol homeostasis and that the alteration of vesicle transport by Aβ may be relevant to the chronic neurodegeneration observed in AD.

Monitoring the assembly of Ig light-chain amyloid fibrils by atomic force microscopy

Aggregation of Ig light chains to form amyloid fibrils is a characteristic feature of light-chain amyloidosis, a light-chain deposition disease. A recombinant variable domain of the light chain SMA was used to form amyloid fibrils in vitro. Fibril formation was monitored by atomic force microscopy imaging. Single filaments 2.4 nm in diameter were predominant at early times; protofibrils 4.0 nm in diameter were predominant at intermediate times; type I and type II fibrils 8.0 nm and 6.0 nm in diameter, respectively, were predominant at the endpoints. The increase in number of fibrils correlated with increased binding of the fluorescent dye thioflavin T. The fibrils and protofibrils showed a braided structure, suggesting that their formation involves the winding of protofibrils and filaments, respectively. These observations support a model in which two filaments combine to form a protofibril, two protofibrils intertwine to form a type I fibril, and three filaments form a type II fibril.

Two amyloid precursor protein transgenic mouse models with Alzheimer disease-like pathology

Mutations in the amyloid precursor protein (APP) gene cause early-onset familial Alzheimer disease (AD) by affecting the formation of the amyloid β (Aβ) peptide, the major constituent of AD plaques. We expressed human APP751 containing these mutations in the brains of transgenic mice. Two transgenic mouse lines develop pathological features reminiscent of AD. The degree of pathology depends on expression levels and specific mutations. A 2-fold overexpression of human APP with the Swedish double mutation at positions 670/671 combined with the V717I mutation causes Aβ deposition in neocortex and hippocampus of 18-month-old transgenic mice. The deposits are mostly of the diffuse type; however, some congophilic plaques can be detected. In mice with 7-fold overexpression of human APP harboring the Swedish mutation alone, typical plaques appear at 6 months, which increase with age and are Congo Red-positive at first detection. These congophilic plaques are accompanied by neuritic changes and dystrophic cholinergic fibers. Furthermore, inflammatory processes indicated by a massive glial reaction are apparent. Most notably, plaques are immunoreactive for hyperphosphorylated tau, reminiscent of early tau pathology. The immunoreactivity is exclusively found in congophilic senile plaques of both lines. In the higher expressing line, elevated tau phosphorylation can be demonstrated biochemically in 6-month-old animals and increases with age. These mice resemble major features of AD pathology and suggest a central role of Aβ in the pathogenesis of the disease.

Cholesterol depletion inhibits the generation of β-amyloid in hippocampal neurons

The amyloid precursor protein (APP) plays a crucial role in the pathogenesis of Alzheimer’s disease. During intracellular transport APP undergoes a series of proteolytic cleavages that lead to the release either of an amyloidogenic fragment called β-amyloid (Aβ) or of a nonamyloidogenic secreted form consisting of the ectodomain of APP (APPsec). It is Aβ that accumulates in the brain lesions that are thought to cause the disease. By reducing the cellular cholesterol level of living hippocampal neurons by 70% with lovastatin and methyl-β-cyclodextrin, we show that the formation of Aβ is completely inhibited while the generation of APPsec is unperturbed. This inhibition of Aβ formation is accompanied by increased solubility in the detergent Triton X-100 and is fully reversible by the readdition of cholesterol to previously depleted cells. Our results show that cholesterol is required for Aβ formation to occur and imply a link between cholesterol, Aβ, and Alzheimer’s disease.

An amyloid-forming peptide from the yeast prion Sup35 reveals a dehydrated β-sheet structure for amyloid

X-ray diffraction and other biophysical tools reveal features of the atomic structure of an amyloid-like crystal. Sup35, a prion-like protein in yeast, forms fibrillar amyloid assemblies intrinsic to its prion function. We have identified a polar peptide from the N-terminal prion-determining domain of Sup35 that exhibits the amyloid properties of full-length Sup35, including cooperative kinetics of aggregation, fibril formation, binding of the dye Congo red, and the characteristic cross-β x-ray diffraction pattern. Microcrystals of this peptide also share the principal properties of the fibrillar amyloid, including a highly stable, β-sheet-rich structure and the binding of Congo red. The x-ray powder pattern of the microcrystals, extending to 0.9-Å resolution, yields the unit cell dimensions of the well-ordered structure. These dimensions restrict possible atomic models of this amyloid-like structure and demonstrate that it forms packed, parallel-stranded β-sheets. The unusually high density of the crystals shows that the packed β-sheets are dehydrated, despite the polar character of the side chains. These results suggest that amyloid is a highly intermolecularly bonded, dehydrated array of densely packed β-sheets. This dry β-sheet could form as Sup35 partially unfolds to expose the peptide, permitting it to hydrogen-bond to the same peptide of other Sup35 molecules. The implication is that amyloid-forming units may be short segments of proteins, exposed for interactions by partial unfolding.

Evaluating the binding selectivity of transthyretin amyloid fibril inhibitors in blood plasma

Transthyretin (TTR) tetramer dissociation and misfolding facilitate assembly into amyloid fibrils that putatively cause senile systemic amyloidosis and familial amyloid polyneuropathy. We have previously discovered more than 50 small molecules that bind to and stabilize tetrameric TTR, inhibiting amyloid fibril formation in vitro. A method is presented here to evaluate the binding selectivity of these inhibitors to TTR in human plasma, a complex biological fluid composed of more than 60 proteins and numerous small molecules. Our immunoprecipitation approach isolates TTR and bound small molecules from a biological fluid such as plasma, and quantifies the amount of small molecules bound to the protein by HPLC analysis. This approach demonstrates that only a small subset of the inhibitors that saturate the TTR binding sites in vitro do so in plasma. These selective inhibitors can now be tested in animal models of TTR amyloid disease to probe the validity of the amyloid hypothesis. This method could be easily extended to evaluate small molecule binding selectivity to any protein in a given biological fluid without the necessity of determining or guessing which other protein components may be competitors. This is a central issue to understanding the distribution, metabolism, activity, and toxicity of potential drugs.

Cellular mechanisms of β-amyloid production and secretion

The major constituent of senile plaques in Alzheimer’s disease is a 42-aa peptide, referred to as β-amyloid (Aβ). Aβ is generated from a family of differentially spliced, type-1 transmembrane domain (TM)-containing proteins, called APP, by endoproteolytic processing. The major, relatively ubiquitous pathway of APP metabolism in cell culture involves cleavage by α-secretase, which cleaves within the Aβ sequence, thus precluding Aβ formation and deposition. An alternate secretory pathway, enriched in neurons and brain, leads to cleavage of APP at the N terminus of the Aβ peptide by β-secretase, thus generating a cell-associated β-C-terminal fragment (β-CTF). A pathogenic mutation at codons 670/671 in APP (APP “Swedish”) leads to enhanced cleavage at the β-secretase scissile bond and increased Aβ formation. An inhibitor of vacuolar ATPases, bafilomycin, selectively inhibits the action of β-secretase in cell culture, suggesting a requirement for an acidic intracellular compartment for effective β-secretase cleavage of APP. β-CTF is cleaved in the TM domain by γ-secretase(s), generating both Aβ 1–40 (90%) and Aβ 1–42 (10%). Pathogenic mutations in APP at codon 717 (APP “London”) lead to an increased proportion of Aβ 1–42 being produced and secreted. Missense mutations in PS-1, localized to chromosome 14, are pathogenic in the majority of familial Alzheimer’s pedigrees. These mutations also lead to increased production of Aβ 1–42 over Aβ 1–40. Knockout of PS-1 in transgenic animals leads to significant inhibition of production of both Aβ 1–40 and Aβ 1–42 in primary cultures, indicating that PS-1 expression is important for γ-secretase cleavages. Peptide aldehyde inhibitors that block Aβ production by inhibiting γ-secretase cleavage of β-CTF have been discovered.

Induction of insulin and islet amyloid polypeptide production in pancreatic islet glucagonoma cells by insulin promoter factor 1.

Insulin promoter factor 1 (IPF1), a member of the homeodomain protein family, serves an early role in pancreas formation, as evidenced by the lack of pancreas formation in mice carrying a targeted disruption of the IPF1 gene [Jonsson, J., Carlsson, L., Edlund, T. & Edlund, H. (1994) Nature (London) 371, 606-609]. In adults, IPF1 expression is restricted to the beta-cells in the islets of Langerhans. We report here that IPF1 induces expression of a subset of beta-cell-specific genes (insulin and islet amyloid polypeptide) when ectopically expressed in clones of transformed pancreatic islet alpha-cells. In contrast, expression of IPF1 in rat embryo fibroblasts factor failed to induce insulin and islet amyloid polypeptide expression. This is most likely due to the lack of at least one other essential insulin gene transcription factor, the basic helix-loop-helix protein Beta 2/NeuroD, which is expressed in both alpha- and beta-cells. We conclude that IPF1 is a potent transcriptional activator of endogenous insulin genes in non-beta islet cells, which suggests an important role of IPF1 in beta-cell maturation.

Metabolism of Alzheimer beta-amyloid precursor protein: regulation by protein kinase A in intact cells and in a cell-free system.

Various compounds that affect signal transduction regulate the relative utilization of alternative processing pathways for the beta-amyloid precursor protein (beta APP) in intact cells, increasing the production of nonamyloidogenic soluble beta APP (s beta APP) and decreasing that of amyloidogenic beta-amyloid peptide. In a recent study directed toward elucidating the mechanisms underlying phorbol ester-stimulated s beta APP secretion from cells, it was demonstrated that protein kinase C increases the formation from the trans-Golgi network (TGN) of beta APP-containing secretory vesicles. Here we present evidence that forskolin increases s beta APP production from intact PC12 cells, and protein kinase A stimulates formation from the TGN of beta APP-containing vesicles. Although protein kinase A and protein kinase C converge at the level of formation from the TGN of beta APP-containing vesicles, additional evidence indicates that the regulatory mechanisms involved are distinct.

beta-Amyloid toxicity in organotypic hippocampal cultures: protection by EUK-8, a synthetic catalytic free radical scavenger.

Oxygen free radicals have been proposed to mediate amyloid peptide (beta-AP)-induced neurotoxicity. To test this hypothesis, we evaluated the effects of EUK-8, a synthetic catalytic superoxide and hydrogen peroxide scavenger, on neuronal injury produced by beta-AP in organotypic hippocampal slice cultures. Cultures of equivalent postnatal day 35 (defined as mature) and 14 (defined as immature) were exposed to various concentrations of beta-AP (1-42 or 1-40) in the absence or presence of 25 microM EUK-8 for up to 72 hours. Neuronal injury was assessed by lactate dehydrogenase release and semiquantitative analysis of propidium iodide uptake at various times after the initiation of beta-AP exposure. Free radical production was inferred from the relative increase in dichlorofluorescein fluorescence, and the degree of lipid peroxidation was determined by assaying thiobarbituric acid-reactive substances. Treatment of mature cultures with beta-AP (50-250 microg/ml) in serum-free conditions resulted in a reproducible pattern of damage, causing a time-dependent increase in neuronal injury accompanied with formation of reactive oxygen species. However, immature cultures were entirely resistant to beta-AP-induced neurotoxicity and also demonstrated no dichlorofluorescein fluorescence or increased lipid peroxidation after beta-AP treatment. Moreover, mature slices exposed to beta-AP in the presence of 25 microM EUK-8 were significantly protected from beta-AP-induced neurotoxicity. EUK-8 also completely blocked beta-AP-induced free radical accumulation and lipid peroxidation. These results not only support a role for oxygen free radicals in beta-AP toxicity but also highlight the therapeutic potential of synthetic radical scavengers in Alzheimer disease.