Synthesis and multi-target biological profiling of a novel family of rhein derivatives as disease-modifying anti-Alzheimer agents

We have synthesized a family of rhein-huprine hybrids to hit several key targets for Alzheimer"s disease. Biological screening performed in vitro and in Escherichia coli cells has shown that these hybrids exhibit potent inhibitory activities against human acetylcholinesterase butyrylcholinesterase, and BACE-1, dual Aβ42 and tau anti-aggregating activity, and brain permeability. Ex vivo studies with the leads (+)- and (-)-7e in brain slices of C57bl6 mice have revealed that they efficiently protect against the Aβ-induced synaptic dysfunction , preventing the loss of synaptic proteins and/or have a positive effect on the induction of long term potentiation. In vivo studies in APP-PS1 transgenic mice treated i.p. for 4 weeks with (+)- and (-)-7e have shown a central soluble Aβ lowering effect, accompanied by an increase in the levels of mature amyloid precursor protein (APP). Thus, (+)- and (-)-7e emerge as very promising disease-modifying anti-Alzheimer drug candidates.

Synthesis and multi-target biological profiling of a novel family of rhein derivatives as disease-modifying anti-Alzheimer agents

We have synthesized a family of rhein-huprine hybrids to hit several key targets for Alzheimer"s disease. Biological screening performed in vitro and in Escherichia coli cells has shown that these hybrids exhibit potent inhibitory activities against human acetylcholinesterase butyrylcholinesterase, and BACE-1, dual Aβ42 and tau anti-aggregating activity, and brain permeability. Ex vivo studies with the leads (+)- and (-)-7e in brain slices of C57bl6 mice have revealed that they efficiently protect against the Aβ-induced synaptic dysfunction , preventing the loss of synaptic proteins and/or have a positive effect on the induction of long term potentiation. In vivo studies in APP-PS1 transgenic mice treated i.p. for 4 weeks with (+)- and (-)-7e have shown a central soluble Aβ lowering effect, accompanied by an increase in the levels of mature amyloid precursor protein (APP). Thus, (+)- and (-)-7e emerge as very promising disease-modifying anti-Alzheimer drug candidates.

Synthesis and multi-target biological profiling of a novel family of rhein derivatives as disease-modifying anti-Alzheimer agents

We have synthesized a family of rhein-huprine hybrids to hit several key targets for Alzheimer"s disease. Biological screening performed in vitro and in Escherichia coli cells has shown that these hybrids exhibit potent inhibitory activities against human acetylcholinesterase butyrylcholinesterase, and BACE-1, dual Aβ42 and tau anti-aggregating activity, and brain permeability. Ex vivo studies with the leads (+)- and (-)-7e in brain slices of C57bl6 mice have revealed that they efficiently protect against the Aβ-induced synaptic dysfunction , preventing the loss of synaptic proteins and/or have a positive effect on the induction of long term potentiation. In vivo studies in APP-PS1 transgenic mice treated i.p. for 4 weeks with (+)- and (-)-7e have shown a central soluble Aβ lowering effect, accompanied by an increase in the levels of mature amyloid precursor protein (APP). Thus, (+)- and (-)-7e emerge as very promising disease-modifying anti-Alzheimer drug candidates.

Chronic hypoxia in the human neuroblastoma SH-SY5Y causes reduced expression of the putative alpha-secretases, ADAM10 and TACE, without altering their mRNA levels

Alzheimer's disease is more frequent following an ischemic or hypoxic episode, with levels of beta-amyloid peptides elevated in brains from patients. Similar increases are found after experimental ischemia in animals. It is possible that increased beta-amyloid deposition arises from alterations in amyloid precursor protein (APP) metabolism, indeed, we have shown that exposing cells of neuronal origin to chronic hypoxia decreased the secretion of soluble APP (sAPPalpha) derived by action of alpha-secretase on APP, coinciding with a decrease in protein levels of ADAM10, a disintegrin metalloprotease which is thought to be the major alpha-secretase. In the current study, we extended those observations to determine whether the expression of ADAM10 and another putative alpha-secretase, TACE, as well as the beta-secretase, BACE1 were regulated by chronic hypoxia at the level of protein and mRNA. Using Western blotting and RT-PCR, we demonstrate that after 48 h chronic hypoxia, such that sAPPalpha secretion is decreased by over 50%, protein levels of ADAM10 and TACE and by approximately 60% and 40% respectively with no significant decrease in BACE1 levels. In contrast, no change in the expression of the mRNA for these proteins could be detected. Thus, we conclude that under CH the level of the putative alpha-secretases, ADAM10 and TACE are regulated by post-translational mechanisms, most probably proteolysis, rather than at the level of transcription.

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.

Lithium reduces Gsk3b mRNA levels: implications for Alzheimer Disease

There is evidence of increased systemic expression of active GSK3B in Alzheimer`s disease patients, which apparently is associated with the formation of senile plaques and neurofibrillary tangles. Due to its central role in the pathogenesis of AD, GSK3B is currently a promising target of the pharmaceutical industry. Whilst trials with specific GSK inhibitors in AD are under way, major attention has been focused on the neuroprotective effects of lithium. Whereas the direct and indirect inhibitory effects of lithium over GSK3 activity have been documented by several groups, its effects over Gsk3 transcription have not yet been addressed. We used quantitative PCR to evaluate the transcriptional regulation of Gsk3a and Gsk3b in lithium-treated primary cultures of rat cortical and hippocampal neurons. We found a significant and dose-dependent reduction in the expression of Gsk3b, which was specific to hippocampal cells. This same effect was further confirmed in vivo by measuring Gsk3 expression in different brain regions and in peripheral leukocytes of adult rats treated with lithium. Our studies show that LiCl can modulate Gsk3b transcription in vitro and in vivo. This observation suggest new regulatory effects of lithium over Gsk3b, contributing to the better understanding of its mechanisms of action, offering a new and complementary explanation for Gsk3b modulation and reinforcing its potential for the inhibition of key pathological pathways in Alzheimer`s disease.

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

Glutathione Peroxidase 1 Pro198Leu Polymorphism in Brazilian Alzheimer's Disease Patients: Relations to the Enzyme Activity and to Selenium Status

Background/Aims: Oxidative stress plays a central role in Alzheimer's disease (AD). Pro198Leu cytosolic glutathione peroxidase (GPx1) polymorphism seems to be associated with a lower activity of this enzyme, but there are no studies with AD patients. Thus, the aim was to determine the frequency of the GPx1 Pro198Leu polymorphism in AD patients and to verify its relation to glutathione peroxidase (GPx) activity and selenium (Se) status. Methods:The study was carried out in a group of AD elderly (n = 28) compared to a control group (n = 29). Blood Se concentrations were measured through hydride generation atomic absorption spectroscopy. GPx activity was determined using a commercial kit, and the polymorphism using amplified DNA sequencing. Results:The distribution of genotypes was not different between groups. The variant allele frequency was 0.179 (AD group) and 0.207 (control group). Although no differences regarding GPx activity were found between individuals with different genotypes, lower blood Se levels were found in Pro/Pro AD patients compared to Pro/Pro control subjects, which was not found in the Pro/Leu groups. Moreover, the association between the erythrocyte Se concentration and GPx activity was affected by the Pro198Leu genotype. Conclusions: Results indicate that this polymorphism had apparently affected Se status in AD patients and that more studies in this field are necessary. Copyright (c) 2012 S. Karger AG, Basel

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.

LRP1 modulates APP trafficking and APP metabolism within compartments of the secretory pathway. Increased AICD generation is ineffective in nuclear translocation and transcriptional activation

LRP1 modulates APP trafficking and metabolism within compartments of the secretory pathway The amyloid precursor protein (APP) is the parent protein to the amyloid beta peptide (Abeta) and is a central player in Alzheimer’s disease (AD) pathology. Abeta liberation depends on APP cleavage by beta- and gamma-secretases. To date, only a unilateral view of APP processing exists, excluding other proteins, which might be transported together and/or processed dependent on each other by the secretases described above. The low density lipoprotein receptor related protein 1 (LRP1) was shown to function as such a mediator of APP processing at multiple steps. Newly synthesized LRP1 can interact with APP, implying an interaction between these two proteins early in the secretory pathway. Therefore, we wanted to investigate whether LRP1 can mediate APP trafficking along the secretory pathway, and, if so, whether it affects APP processing. Indeed, we demonstrate that APP trafficking is strongly influenced by LRP1 transport through the endoplasmic reticulum (ER) and Golgi compartments. LRP1-constructs with ER- and Golgi-retention motifs (LRP-CT KKAA, LRP-CT KKFF) had the capacity to retard APP trafficking at the respective steps in the secretory pathway. Here, we provide evidence that APP metabolism occurs in close conjunction with LRP1 trafficking, highlighting a new role of lipoprotein receptors in neurodegenerative diseases. Increased AICD generation is ineffective in nuclear translocation and transcriptional activity A sequence of amyloid precursor protein (APP) cleavages gives rise to the APP intracellular domain (AICD) together with amyloid beta peptide (Abeta) and/or p3 fragment. One of the environmental factors identified favouring the accumulation of AICD appears to be a rise in intracellular pH. This accumulation is a result of an abrogated cleavage event and does not extend to other secretase substrates. AICD can activate the transcription of artificially expressed constructs and many downstream gene targets have been discussed. Here we further identified the metabolism and subcellular localization of the constructs used in this well documented gene reporter assay. We also co-examined the mechanistic lead up to the AICD accumulation and explored possible significances for its increased expression. We found that most of the AICD generated under pH neutralized conditions is likely that cleaved from C83. Furthermore, the AICD surplus is not transcriptionally active but rather remains membrane tethered and free in the cytosol where it interacts with Fe65. However, Fe65 is still essential in AICD mediated transcriptional transactivation although its exact role in this set of events is unclear.

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.