SUMOylation: novel neuroprotective approach for Alzheimer's disease?

Alzheimer's disease (AD) is a progressive neurodegenerative disease characterized in the brain by the formation of amyloid-beta (Aβ)-containing plaques and neurofibrillary tangles containing the microtubule-associated protein tau. Neuroinflammation is another feature of AD and astrocytes are receiving increasing attention as key contributors. Although some progress has been made, the molecular mechanisms underlying the pathophysiology of AD remain unclear. Interestingly, some of the main proteins involved in AD, including amyloid precursor protein (APP) and tau, have recently been shown to be SUMOylated. The post-translational modification by SUMO (small ubiquitin-like modifier) has been shown to regulate APP and tau and may modulate other proteins implicated in AD. Here we present an overview of recent studies suggesting that protein SUMOylation might be involved in the underlying pathogenic mechanisms of AD and discuss how this could be exploited for therapeutic intervention.

Efeito do nível de atividade física nas concentrações da ADAM 10 em sujeitos com doença de Alzheimer e saudáveis

Pós-graduação em Ciências da Motricidade - IBRC

Design and synthesis of novel non peptidomimtic beta-secretase inhibitors in the treatment of Alzheimer's disease

The aspartic protease BACE1 (β-amyloid precursor protein cleaving enzyme, β-secretase) is recognized as one of the most promising targets in the treatment of Alzheimer's disease (AD). The accumulation of β-amyloid peptide (Aβ) in the brain is a major factor in the pathogenesis of AD. Aβ is formed by initial cleavage of β-amyloid precursor protein (APP) by β-secretase, therefore BACE1 inhibition represents one of the therapeutic approaches to control progression of AD, by preventing the abnormal generation of Aβ. For this reason, in the last decade, many research efforts have focused at the identification of new BACE1 inhibitors as drug candidates. Generally, BACE1 inhibitors are grouped into two families: substrate-based inhibitors, designed as peptidomimetic inhibitors, and non-peptidomimetic ones. The research on non-peptidomimetic small molecules BACE1 inhibitors remains the most interesting approach, since these compounds hold an improved bioavailability after systemic administration, due to a good blood-brain barrier permeability in comparison to peptidomimetic inhibitors. Very recently, our research group discovered a new promising lead compound for the treatment of AD, named lipocrine, a hybrid derivative between lipoic acid and the AChE inhibitor (AChEI) tacrine, characterized by a tetrahydroacridinic moiety. Lipocrine is one of the first compounds able to inhibit the catalytic activity of AChE and AChE-induced amyloid-β aggregation and to protect against reactive oxygen species. Due to this interesting profile, lipocrine was also evaluated for BACE1 inhibitory activity, resulting in a potent lead compound for BACE1 inhibition. Starting from this interesting profile, a series of tetrahydroacridine analogues were synthesised varying the chain length between the two fragments. Moreover, following the approach of combining in a single molecule two different pharmacophores, we designed and synthesised different compounds bearing the moieties of known AChEIs (rivastigmine and caproctamine) coupled with lipoic acid, since it was shown that dithiolane group is an important structural feature of lipocrine for the optimal inhibition of BACE1. All the tetrahydroacridines, rivastigmine and caproctamine-based compounds, were evaluated for BACE1 inhibitory activity in a FRET (fluorescence resonance energy transfer) enzymatic assay (test A). With the aim to enhancing the biological activity of the lead compound, we applied the molecular simplification approach to design and synthesize novel heterocyclic compounds related to lipocrine, in which the tetrahydroacridine moiety was replaced by 4-amino-quinoline or 4-amino-quinazoline rings. All the synthesized compounds were also evaluated in a modified FRET enzymatic assay (test B), changing the fluorescent substrate for enzymatic BACE1 cleavage. This test method guided deep structure-activity relationships for BACE1 inhibition on the most promising quinazoline-based derivatives. By varying the substituent on the 2-position of the quinazoline ring and by replacing the lipoic acid residue in lateral chain with different moieties (i.e. trans-ferulic acid, a known antioxidant molecule), a series of quinazoline derivatives were obtained. In order to confirm inhibitory activity of the most active compounds, they were evaluated with a third FRET assay (test C) which, surprisingly, did not confirm the previous good activity profiles. An evaluation study of kinetic parameters of the three assays revealed that method C is endowed with the best specificity and enzymatic efficiency. Biological evaluation of the modified 2,4-diamino-quinazoline derivatives measured through the method C, allow to obtain a new lead compound bearing the trans-ferulic acid residue coupled to 2,4-diamino-quinazoline core endowed with a good BACE1 inhibitory activity (IC50 = 0.8 mM). We reported on the variability of the results in the three different FRET assays that are known to have some disadvantages in term of interference rates that are strongly dependent on compound properties. The observed results variability could be also ascribed to different enzyme origin, varied substrate and different fluorescent groups. The inhibitors should be tested on a parallel screening in order to have a more reliable data prior to be tested into cellular assay. With this aim, preliminary cellular BACE1 inhibition assay carried out on lipocrine confirmed a good cellular activity profile (EC50 = 3.7 mM) strengthening the idea to find a small molecule non-peptidomimetic compound as BACE1 inhibitor. In conclusion, the present study allowed to identify a new lead compound endowed with BACE1 inhibitory activity in submicromolar range. Further lead optimization to the obtained derivative is needed in order to obtain a more potent and a selective BACE1 inhibitor based on 2,4-diamino-quinazoline scaffold. A side project related to the synthesis of novel enzymatic inhibitors of BACE1 in order to explore the pseudopeptidic transition-state isosteres chemistry was carried out during research stage at Università de Montrèal (Canada) in Hanessian's group. The aim of this work has been the synthesis of the δ-aminocyclohexane carboxylic acid motif with stereochemically defined substitution to incorporating such a constrained core in potential BACE1 inhibitors. This fragment, endowed with reduced peptidic character, is not known in the context of peptidomimetic design. In particular, we envisioned an alternative route based on an organocatalytic asymmetric conjugate addition of nitroalkanes to cyclohexenone in presence of D-proline and trans-2,5-dimethylpiperazine. The enantioenriched obtained 3-(α-nitroalkyl)-cyclohexanones were further functionalized to give the corresponding δ-nitroalkyl cyclohexane carboxylic acids. These intermediates were elaborated to the target structures 3-(α-aminoalkyl)-1-cyclohexane carboxylic acids in a new readily accessible way.

Genomische Struktur und Promotorcharakterisierung des humanen ADAM10-Gens

Das ADAM10-Gen kodiert für eine membrangebundene Disintegrin-Metalloproteinase, die das Amyloidvorläuferprotein spaltet. Im Mausmodell konnte bewiesen werden, dass die Überexpression von ADAM10 die Plaquebildung vermindern und das Langzeitgedächtnis verbessert. Aus diesem Grund ist es für einen möglichen Therapieansatz für die Alzheimer’sche Erkrankung erforderlich, die Organisation des humanen ADAM10-Gens und seines Promotors aufzuklären. Beim Vergleich der genomischen Sequenzen von humanem und murinem ADAM10 zeigte sich eine hohe Übereinstimmung. Beide Gene umfassen 160 kbp und bestehen aus 16 Exons. Die ersten 500 bp stromaufwärts vom Translationsstartpunkt zwischen dem Menschen, der Maus und der Ratte sind hoch konserviert. Diese Region beinhaltet spezifische regulatorische Elemente, die die ADAM10-Transkription modulieren. In den ersten 2179 bp stromaufwärts vom humanen ADAM10-Translationsstartpunkt fanden sich einige potentiellen Transkriptionsfaktor-bindungsstellen (Brn-2, SREBP, Oct-1, Creb1/cJun, USF, Maz, MZF-1, NFkB und CDPCR3HD). Es wurde eine charakteristische GC-Box und eine CAAT-Box, aber keine TATA-Box identifiziert. Nach Klonierung dieser 2179 bp großen Region wurde eine starke Promotoraktivität, insbesondere in neuronalen Zelllinien, gefunden. Bei der Analyse von Deletionskonstrukten wurde die Region zwischen -508 und -300 als essentiell für die Transkriptionsaktivierung bestimmt. Die Promotoraktivität wird zudem streng herunterreguliert, wenn in die Region 317 bp stromaufwärts vom Startpunkt der Translation eine Punktmutation eingeführt wird. Diese per Computeranalyse als USF-Bindungsstelle deklarierte Region spielt eine zentrale Rolle bei der ADAM10-Transkription. Im EMSA wurde eine Protein-DNA-Interaktion für diese Region gezeigt. Durch transienten Transfektionen in Schneider Drosophila Insektenzellen konnte nachgewiesen werden, dass die Überexpression von Sp1 und USp3 für die ADAM10-Promotoraktivität entscheidend ist. In EMSA-Studien bestätigte sich eine Protein-DNA-Interaktion für die Region -366 bp stromaufwärts vom Translationsstartpunkt. Die Punktmutation in der CAAT-Box veränderte die die Promotoraktivität nicht. Da weiterhin für diese potentielle Bindungsstelle kein Bindungsfaktor vorausgesagt wurde, scheint die CAAT-Box keine Bedeutung bei der Promotorregulation zu spielen. Schließlich fand sich im EMSA eine Protein-DNA-Interaktion für die Bindungsstelle 203 bp stromaufwärts vom Translationsstartpunkt. Diese in Computeranalysen als RXR-Bindungsstelle identifizierte Region ist ebenfalls von Bedeutung in der Promotorregulation. Auf der Suche nach Substanzen, die die ADAM10-Promotoraktivität beeinflussen, wurde ein negativer Effekt durch die apoptoseauslösende Substanz Camptothecin und ein positiver Effekt durch die zelldifferenzierungsauslösende Substanz all-trans Retinsäure festgestellt. Mit dieser Arbeit wurde die genomische Organisation des ADAM10-Gens zusammen mit dem zugehörigen Promotor aufgeklärt und ein neuer Regulationsmechanismus für die Hochregulation der Expression der alpha-Sekretase ADAM10 gefunden. Im Weiteren sollen nun die genauen Mechanismen bei der Hochregulation der alpha-Sekretase ADAM10 durch Retinsäure untersucht und durch Mikroarray-Analysen an RNA-Proben transgener Mäuse, welche ADAM10 überexpremieren, neue therapeutische Ansätze zur Behandlung der Alzheimer´schen Erkrankung identifiziert werden.

Überexpression und Charakterisierung des extrazellulären Teils der humanen alpha-Sekretase ADAM10

„ÜBEREXPRESSION UND CHARAKTERISIERUNG DES EXTRAZELLULÄREN TEILS DER HUMANEN alpha-SEKRETASE ADAM10“ ALEXANDRA LEPTICH Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei enzymatisch aktive lösliche Proteinvarianten der humanen alpha-Sekretase ADAM10 in Insektenzellen exprimiert, gereinigt und charakterisiert. Dabei entsprach eine der löslichen ADAM10-Varianten dem extrazellulären Bereich des Typ-I-Membranproteins, d.h. ihr fehlte die Transmembran- und cytoplasmatische Domäne. Die zweite Variante stimmt mit einer im menschlichen Gehirn auf mRNA-Ebene nachgewiesenen Splicevariante überein, die zusätzlich noch durch das Fehlen der Cystein-reichen Domäne gekennzeichnet ist. Die alpha-Sekretase ADAM10 spielt eine wichtige Rolle bei der nicht-amyloidogenen Prozessierung des Amyloid-Vorläufer-Proteins (APP). Dabei erfolgt dessen Spaltung innerhalb der beta-Amyloidsequenz, so dass die Produktion von Abeta-Peptiden und damit die Bildung von Amyloid-Plaques während der Alzheimer’schen Erkrankung verhindert wird. Nach der Expression der beiden löslichen ADAM10-Proteine in Insektenzellen erfolgte die Reinigung der prozessierten und damit reifen Enzymform der jeweiligen ADAM10-Proteinvariante mittels Lektin-Affinitätschromatographie. Die anschließende Charakterisierung der beiden löslichen ADAM10-Proteine erfolgte durch einen auf HPLC-Analyse basierenden Enzymtest. Dabei wurden verschiedene sich von der beta-Amyloid-Sequenz ableitenden Peptidsubstrate in vitro eingesetzt, die zum einen den Aminosäuren 11-28 der Abeta-Sequenz, zum anderen dem kompletten Abeta40-Peptid entsprachen und damit die charakteristische alpha-Sekretasespaltstelle des Amyloid-Vorläufer-Proteins enthielten. Des Weiteren kamen jeweils entsprechende Peptidsubstrate zum Einsatz, die an den Positionen 21 und 22 der Abeta- Peptidsequenz vorkommenden Mutationen trugen. Die gewählten Abeta-Substrate konnten durch die löslichen Varianten der alpha-Sekretase ADAM10 an der alpha-Sekretasestelle gespalten werden. Dabei konnte bei den Abeta11-28-Peptiden deutlich die in der Literatur beschriebene Abhängigkeit der Spaltung von der a-helicalen Struktur des Substrats beobachtet werden, während bei den längeren Abeta40-Peptide diesbezüglich kein Zusammenhang hergestellt werden konnte. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass ADAM10 hauptsächlich als alpha-Sekretase wirkt, weniger als ein Abeta-degradierendes Enzym. Ferner konnte unter Verwendung entsprechender muriner und humaner Abeta-Peptide eine verstärkte Spaltung der murinen Substrate Abeta1-28 und Abeta1-40 durch den extrazellulären Teil von ADAM10 in vitro gezeigt werden. Dieser Versuch bestätigt die Annahme, dass es bei Nagetieren durch die Bevorzugung der nichtamyloidogenen Prozessierung von APP durch die alpha-Sekretase ADAM10 zu keiner Bildung von Amyloid-Plaques kommt. Ein Einfluss auf die Spaltung von membrangebundenem APP und damit der Bildung von neuroprotektivem sAPPalpha durch die löslichen ADAM10-Proteine konnte im Zellsystem nicht beobachtet werden. Vielmehr scheint hier die Membranverankerung von Enzym und Substrat eine wichtige Voraussetzung zu bilden. Des Weiteren konnten die löslichen ADAM10-Proteine durch ein für die Inhibierung von ADAM10 spezifische Hydroxamat-Derivat in ihrer enzymatischen Aktivität gehemmt werden. Die exprimierten ADAM10-Proteine weisen die charakteristischen Eigenschaften der alpha-Sekretase ADAM10 auf, wobei deutlich wurde, dass das Fehlen der Cystein-reichen Domäne keinen Einfluss auf die Fähigkeit der katalytischen Domäne zur Substrat- und Inhibitorbindung hatte. Auch die Stabilität des Enzyms wurde durch das Fehlen der Domäne nicht negativ beeinträchtigt. Eine wichtige Aufgabe stellt nun der Nachweis der löslichen ADAM10-Proteine sowie die Identifizierung ihrer potentiellen Substrate und deren Lokalisation in vivo dar.

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.

Der Einfluss des Endocannabinoidsystems auf die Alzheimer Pathologie

Die Alzheimer Krankheit ist eine der häufigsten neurodegenerativen Erkrankungen, deren Ursache, abgesehen von einem geringen Prozentsatz vererbter Formen, bisher nicht bekannt ist. Ein wichtiges Ziel der Grundlagenforschung liegt derzeit in der Modulation der APP-spaltenden Enzyme. Durch die Modulation dieser Enzyme könnten weniger schädigende Amyloid β-Peptide entstehen. Die Aktivität des ECS ist in vielen neurodegenerativen Krankheiten verändert. Protektive Eigenschaften der Cannabinoidrezeptoren wurden bei der Alzheimer Krankheit beschrieben. Deshalb sollte in dieser Arbeit der Einfluss des ECS auf die Pathogenese der Alzheimer Erkrankung untersucht werden. In Zellkultursystemen wurde der Einfluss von Cannabinoiden auf die Prozessierung des Amyloid-Vorläuferproteins analysiert. Durch Inkubation der Zellen mit CB1-Rezeptor Agonisten konnte die APP-Prozessierung zugunsten von sAPPα moduliert werden. Gleichzeitig führte die Inkubation mit Cannabinoiden zur reduzierten Amyloid β Menge im Medium der Zellen. In dieser Arbeit konnte die APP-Prozessierung durch die Aktivierung des CB1-Rezeptors zugunsten des nicht-amyloiden Wegs moduliert werden.rnIn einem Tiermodell wurde der Einfluss des CB1-Rezeptors in APP23 transgenen Mäusen untersucht. Der Knockout des CB1-Rezeptors führte in APP23 transgenen Tieren zu weitreichenden biochemischen Veränderungen. APP23/CB1-/--Tiere zeigten eine erhöhte Mortalität und ein sehr geringes Durchschnittsgewicht. Im Vergleich zu APP23/CB1+/+-Tieren führte der CB1-Rezeptor Knockout zur Reduktion der APP-Expression und dessen Prozessierungsprodukten. In den histologischen Untersuchungen wurde eine reduzierte Anzahl an amyloiden Plaques, sowie eine reduzierte Neuroinflammation ermittelt. Biochemische Untersuchungen zeigten, dass der CB1-Rezeptor einen möglichen regulatorischen Einfluss auf die Expression und Prozessierung von APP ausübt. Die Tiere mit der geringsten Plaque-Menge (APP23/CB1-/-) und einer reduzierten Prozessierung von sAPPα- und den CTFs zeigten die schlechteste Lernleistung im Morris Water-Maze. Deshalb müssen andere Faktoren (z.B. die Degradation der Myelinschicht) für die schlechte Lernleistung verantwortlich sein. Mit einem zweiten Tiermodell könnte in CB1-Knockout Mäusen durch den viral-vermittelten Gentransfer eine mögliche Toxizität von Aβ Peptiden untersucht werden. Die in dieser Arbeit ermittelten Ergebnisse zeigen, dass der CB1-Rezeptor an der Regulation der APP-Prozessierung beteiligt ist und zu proteinbiochemischen Veränderungen im Zell- und Tiermodell führt.

Structural basis for the sheddase function of human meprin β metalloproteinase at the plasma membrane

Ectodomain shedding at the cell surface is a major mechanism to regulate the extracellular and circulatory concentration or the activities of signaling proteins at the plasma membrane. Human meprin β is a 145-kDa disulfide-linked homodimeric multidomain type-I membrane metallopeptidase that sheds membrane-bound cytokines and growth factors, thereby contributing to inflammatory diseases, angiogenesis, and tumor progression. In addition, it cleaves amyloid precursor protein (APP) at the β-secretase site, giving rise to amyloidogenic peptides. We have solved the X-ray crystal structure of a major fragment of the meprin β ectoprotein, the first of a multidomain oligomeric transmembrane sheddase, and of its zymogen. The meprin β dimer displays a compact shape, whose catalytic domain undergoes major rearrangement upon activation, and reveals an exosite and a sugar-rich channel, both of which possibly engage in substrate binding. A plausible structure-derived working mechanism suggests that substrates such as APP are shed close to the plasma membrane surface following an "N-like" chain trace.

Latrepirdine improves cognition and arrests progression of neuropathology in an Alzheimer's mouse model

Latrepirdine (Dimebon) is a pro-neurogenic, antihistaminic compound that has yielded mixed results in clinical trials of mild to moderate Alzheimer's disease, with a dramatically positive outcome in a Russian clinical trial that was unconfirmed in a replication trial in the United States. We sought to determine whether latrepirdine (LAT)-stimulated amyloid precursor protein (APP) catabolism is at least partially attributable to regulation of macroautophagy, a highly conserved protein catabolism pathway that is known to be impaired in brains of patients with Alzheimer's disease (AD). We utilized several mammalian cellular models to determine whether LAT regulates mammalian target of rapamycin (mTOR) and Atg5-dependent autophagy. Male TgCRND8 mice were chronically administered LAT prior to behavior analysis in the cued and contextual fear conditioning paradigm, as well as immunohistological and biochemical analysis of AD-related neuropathology. Treatment of cultured mammalian cells with LAT led to enhanced mTOR- and Atg5-dependent autophagy. Latrepirdine treatment of TgCRND8 transgenic mice was associated with improved learning behavior and with a reduction in accumulation of Aβ42 and α-synuclein. We conclude that LAT possesses pro-autophagic properties in addition to the previously reported pro-neurogenic properties, both of which are potentially relevant to the treatment and/or prevention of neurodegenerative diseases. We suggest that elucidation of the molecular mechanism(s) underlying LAT effects on neurogenesis, autophagy and behavior might warranty the further study of LAT as a potentially viable lead compound that might yield more consistent clinical benefit following the optimization of its pro-neurogenic, pro-autophagic and/or pro-cognitive activities.

Low cholesterol stimulates the nonamyloidogenic pathway by its effect on the α-secretase ADAM 10

Biochemical, epidemiological, and genetic findings demonstrate a link between cholesterol levels, processing of the amyloid precursor protein (APP), and Alzheimer's disease. In the present report, we identify the α-secretase ADAM 10 (a disintegrin and metalloprotease) as a major target of the cholesterol effects on APP metabolism. Treatment of various peripheral and neural cell lines with either the cholesterol-extracting agent methyl-β-cyclodextrin or the hydroxymethyl glutaryl-CoA reductase inhibitor lovastatin resulted in a drastic increase of secreted α-secretase cleaved soluble APP. This strong stimulatory effect was in the range obtained with phorbol esters and was further increased in cells overexpressing ADAM 10. In cells overexpressing APP, the increase of α-secretase activity resulted in a decreased secretion of Aβ peptides. Several mechanisms were elucidated as being the basis of enhanced α-secretase activity: increased membrane fluidity and impaired internalization of APP were responsible for the effect observed with methyl-β-cyclodextrin; treatment with lovastatin resulted in higher expression of the α-secretase ADAM 10. Our results demonstrate that cholesterol reduction promotes the nonamyloidogenic α-secretase pathway and the formation of neuroprotective α-secretase cleaved soluble APP by several mechanisms and suggest approaches to prevention of or therapy for Alzheimer's disease.

What causes alzheimer's disease?

Since the earliest descriptions of Alzheimer's disease (AD), many theories have been advanced as to its cause. These include: (1) exacerbation of aging, (2) degeneration of anatomical pathways, including the cholinergic and cortico-cortical pathways, (3) an environmental factor such as exposure to aluminium, head injury, or malnutrition, (4) genetic factors including mutations of amyloid precursor protein (APP) and presenilin (PSEN) genes and allelic variation in apolipoprotein E (Apo E), (5) mitochondrial dysfunction, (6) a compromised blood brain barrier, (7) immune system dysfunction, and (8) infectious agents. This review discusses the evidence for and against each of these theories and concludes that AD is a multifactorial disorder in which genetic and environmental risk factors interact to increase the rate of normal aging ('allostatic load'). The consequent degeneration of neurons and blood vessels results in the formation of abnormally aggregated 'reactive' proteins such as ß-amyloid (Aß) and tau. Gene mutations influence the outcome of age-related neuronal degeneration to cause early onset familial AD (EO-FAD). Where gene mutations are absent and a combination of risk factors present, Aß and tau only slowly accumulate not overwhelming cellular protection systems until later in life causing late-onset sporadic AD (LO-SAD). Aß and tau spread through the brain via cell to cell transfer along anatomical pathways, variation in the pathways of spread leading to the disease heterogeneity characteristic of AD.

What risk factors are associated with Alzheimer's disease?

A large number of risk factors have been associated with Alzheimer’s disease (AD). This article discusses the validity of the major risk factors that have been identified including age, genetics, exposure to aluminium, head injury, malnutrition and diet, mitochondrial dysfunction, vascular disease, immune system dysfunction, and infection. Rare forms of early-onset familial AD (FAD) are strongly linked to the presence of specific gene mutations, viz. mutations in amyloid precursor protein (APP) and presenilin (PSEN1/2) genes. By contrast, late-onset sporadic AD (SAD) is a multifactorial disorder in which age-related changes, genetic risk factors, such as allelic variation in apolipoprotein E (Apo E) gene, vascular disease, head injury and risk factors associated with diet, the immune system, mitochondrial function, and infection may all be involved. Life-style changes that may reduce the effect of these risk factors and therefore, the risk of AD are discussed.

Risk factors for Alzheimer's disease

A large number of possible risk factors have been associated with Alzheimer'sdisease (AD).This chapter discusses the validity of the major risk factors that have been identifiedincluding age, genetics, exposure to aluminum, head injury, malnutrition and diet,mitochondrial dysfunction, vascular disease, immune system dysfunction, and infectionand proposes a hypothesis to explain how these various risk factors may cause ADpathology.Rare forms of early-onset familial AD (FAD) are strongly linked to the presence ofspecific gene mutations, viz. mutations in amyloid precursor protein (APP) andpresenilin (PSEN1/2) genes. By contrast, late-onset sporadic AD (SAD) is amultifactorial disorder in which age-related changes, genetic risk factors, such as allelicvariation in apolipoprotein E (Apo E) gene, vascular disease, head injury and risk factorsassociated with diet, immune system, mitochondrial function, and infection may all beinvolved.These risk factors interact to increase the rate of normal aging (=allostatic load')which over a lifetime results in degeneration of neurons and blood vessels and as aconsequence, the formation of abnormally aggregated =reactive' proteins such as ß-amyloid (Aß) and tau leading to the development of senile plaques (SP) andneurofibrillary tangles (NFT) respectively. Life-style changes that may reduce theallostatic load and therefore, the risk of dementia are discussed.

Relevance of CD40/CD40L downstream pathways to Alzheimer's disease

The amyloid cascade hypothesis places amyloid-β at the origin of Alzheimer's disease (AD). Amyloid-β (Aβ) is the product of the sequential cleavage of the amyloid precursor protein (APP) by the enzymes β- and γ-secretases. An inflammatory component to AD has been suggested in association with CD40 (a member of the tumor necrosis factor receptor superfamily (TNFRS) and its cognate ligand CD40L. In this study, I hypothesized that the neutralization of pro-inflammatory cytokines produced downstream of CD40/CD40L interaction would reduce APP processing. I also hypothesized that blocking the binding of different adaptor proteins to CD40 by mutating its cytoplasmic tail would result in significant reduction of the APP metabolites: Aβ, sAPPβ, sAPPα, CTFβ and CTFα. ^ Treatment with CD40L of human embryonic kidney cells over-expressing both APP and CD40 (HEK/APPsw/CD40) significantly increased levels of the cytokine granulocyte macrophage colony stimulating factor (GM-CSF). Neutralizing antibodies against GM-CSF mitigated the CD40L-induced production of Aβ in these cells. Treatment of the HEK/APPsw/CD40 cells with recombinant GM-CSF significantly increased Aβ levels. GM-CSF receptor gene silencing with shRNA significantly reduced Aβ levels to below base line in non-stimulated HEK/APPsw/CD40 cells. Silencing of the GM-CSF receptor also decreased APP endocytosis (therefore reducing the availability of APP to be cleaved in the endosomes). ^ Using CD40 mutants, I show that CD40L can increase levels of Aβ(1-40), Aβ(1-42), sAPPβ, sAPPα and CTFβ independently of TRAF signaling. TRAFs had been shown to be necessary for most CD40/CD40L-dependent signaling. An increase in mature/immature APP ratio after CD40L treatment of CD40wt and CD40-mutant cells was observed, reflecting alterations in APP trafficking. CD4OL treatment of a neuroblastoma cell line over-expressing CTFβ suggested that CD40L affected γ-secretase activity. Inhibition of γ-secretase activity significantly reduced sAPPβ levels in the CD40L treated HEK/APPsw CD40wt and the CD40-mutant cells. The latter suggests CD40/CD40L interaction primarily acts on γ-secretase and affects β-secretase via a positive feedback mechanism. ^ Taken together, the results of this dissertation suggest that GM-CSF operates downstream of CD40/CD40L interaction and that GM-CSF modulates Aβ production by influencing APP trafficking. Moreover, the data presented suggest that CD40/CD40L interaction can modulate APP processing via a mechanism independent of TRAF signaling. ^