Aktivitätserhöhung der Alpha-Sekretasen ADAM10 und TACE bei der Proteolyse des Amyloid-Vorläuferproteins

ZUSAMMENFASSUNGIn den Gehirnen von Alzheimer-Patienten werden beta-Amyloid-Plaques gefunden, deren Hauptbestandteile die neurotoxischen beta-Amyloid-Peptide (A-beta) sind. Im Verlauf des nicht-amyloidogenen Wegs wird das Amyloid-Vorläuferproteins (APP) innerhalb der A-beta-Sequenz durch die alpha-Sekretase prozessiert, wobei das neuroprotektive APPs-alpha freigesetzt und die Entstehung der A-beta-Peptide verhindert wird. Die Aktivitätserhöhung der alpha-Sekretase ADAM10 könnte eine übermäßige Produktion der A-beta-Peptide abwenden.Zum Auffinden ADAM10-stimulierender Substanzen konnte ein Testsystem entwickelt werden, das auf der Fusion der 119 C-terminalen Aminosäurereste des Amyloid-Vorläuferproteins mit einem Reporterprotein beruht. Durch seine alkalische Phosphataseaktivität kann dieses Reporterprotein stellvertretend für das freigesetzte endogene APPs-alpha photometrisch im Zellkulturüberstand quantifiziert werden. Substanzen, die aktivierend auf die alpha-Sekretase ADAM10 wirken, können somit schnell und mit einer hohen Empfindlichkeit ermittelt werden.Die alpha-Sekretasen ADAM10 und TACE werden als inaktive Zymogene synthetisiert und besitzen eine Proprotein-Konvertasen-Erkennungssequenz zwischen der Prodomäne und der Metalloproteinase-Domäne. In dieser Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass Proprotein-Konvertasen an der Prozessierung beider Zymogene beteiligt sind. ADAM10 und TACE wurden durch die Überexpression der Proprotein-Konvertasen PC7 und Furin in HEK293-Zellen in größerem Umfang prozessiert. Dies resultierte in einer erhöhten katalytischen Aktivität. Mutiertes ADAM10 ohne Proprotein-Konvertasen-Spaltstelle konnte nicht mehr in die katalytisch aktive Form überführt werden. Diese Ergebnisse eröffnen neue Ansätze zur Stimulierung des nicht-amyloidogenen Wegs.

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.

Sonic Hedgehog pathway impairment in Neural Precursor Cells of the Ts65Dn mouse, an animal model of Down syndrome

Mental retardation in Down syndrome (DS) has been imputed to the decreased brain volume, which is evident starting from the early phases of development. Recent studies in a widely used mouse model of DS, the Ts65Dn mouse, have shown that neurogenesis is severely impaired during the early phases of brain development, suggesting that this defect may be a major determinant of brain hypotrophy and mental retardation in individuals with DS. Recently, it has been found that in the cerebellum of Ts65Dn mice there is a defective responsiveness to Sonic Hedgehog (Shh), a potent mitogen that controls cell division during brain development, suggesting that failure of Shh signaling may underlie the reduced proliferation potency in DS. Based on these premises, we sought to identify the molecular mechanisms underlying derangement of the Shh pathway in neural precursor cells (NPCs) from Ts65Dn mice. We found that the expression levels of the Shh receptor Patched1 (Ptch1) were increased compared to controls both at the RNA and protein level. Partial silencing of Ptch1 expression in trisomic NPCs restored cell proliferation, indicating that proliferation impairment was due to Ptch1 overexpression. We further found that the overexpression of Ptch1 in trisomic NPCs is related to increased levels of AICD, a transcription-promoting fragment of amyloid precursor protein (APP). Increased AICD binding to the Ptch1 promoter favored its acetylated status, thus enhancing Ptch1 expression. Taken together, these data provide novel evidence that Ptch1 over expression underlies derangement of the Shh pathway in trisomic NPCs, with consequent proliferation impairment. The demonstration that Ptch1 over expression in trisomic NPCs is due to an APP fragment provides a link between this trisomic gene and the defective neuronal production that characterizes the DS brain.

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

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

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.

Funktionelle, strukturelle und phylogenetische Untersuchungen an Lipoproteinen des Flusskrebses Astacus leptodactylus

Diese Arbeit untersucht zwei Lipoproteine, das discoidale High density-Lipoprotein (dHDL) und das β-Glukan-Bindeprotein (BGBP) aus dem Flusskrebs Astacus leptodactylus in funktioneller, struktureller und phylogenetischer Hinsicht. Die Nukleotid-Sequenz des BGBP konnte nahezu vollständig entschlüsselt werden. Dabei errechnet sich aus der abgeleiteten Aminosäure-Sequenz ein Molekulargewicht von 153 kDa. Das reife BGBP hat nur eine molekulare Masse von 105 kDa. Vermutlich kommt es durch eine Furin-ähnliche Protease zu einer post-translationalen N- und C-terminalen Prozessierung: zwei bisher nicht beschriebene, aber auch in der BGBP-Sequenz von anderen höheren Krebsen vorhandene, typische Furin-Schnittstellen (RAKR, bzw. RARR) wurden anhand von Sequenzvergleichen identifiziert. BGBP hat zwei Funktionen: zum Einen ist es für den Transport und die Aktivierung des proPhenoloxidase-Systems zuständig, zum Anderen für die Versorgung der Organe mit Lipiden, welche vermutlich der Energiegewinnung dienen. Eine 100 kDa große, BGBP-bindende Rezeptor-Fraktion konnte in Hämocyten-Membranen identifiziert werden. Das Vorkommen von dHDL war aus eigenen Befunden bisher ausschließlich in Astacus leptodactylus bekannt, doch konnte in dieser Arbeit ein mit dem dHDL-Antikörper reagierendes Protein erstmalig auch in anderen Arthropoden-Spezies nachgewiesen werden. Die discoidale Form und das Untereinheiten-Muster (240 + 85 kDa) sind typisch für die bei Vertretern ursprünglicher Tiergruppen gefundenen Lipoproteine (z.B. beim Cheliceraten Limulus und beim Polychaeten Nereis). Eventuell handelt es sich bei dHDL also um einen ‚Prototypen’ in der Lipoprotein-Evolution. Obwohl die Sequenz des dHDL auf Nukleotid-Ebene unbekannt ist, wurden die Sequenzen einiger dHDL-Peptide aus massenspektroskopischen Analysen gewonnen. Überraschenderweise befinden sich diese Sequenzen in der Aminosäuresequenz des BGBP. Dabei liegen alle Peptide am N- und/oder am C-Terminus der abgeleiteten BGBP-Aminosäure-Sequenz, und zwar in den Bereichen, die vermutlich durch das erwähnte Furin vom BGBP abgeschnitten werden, im reifen BGBP also gar nicht mehr vorkommen. Deshalb ist zu vermuten, dass BGBP und dHDL ein gemeinsames Vorläuferprotein haben und durch Genduplikation entstanden sind, oder dass es sich beim dHDL- und beim BGBP-Gen um ein und dasselbe Gen handelt. Das Genprodukt wird dann auf unterschiedliche Weise prozessiert und es entstehen die beiden Proteine dHDL und BGBP. Die Funktion von dHDL ist noch nicht eindeutig geklärt, es ließen sich aber dHDL-bindende Rezeptor-Fraktionen mit einer molekularen Masse von 160 kDa in somatischen Geweben (Muskel, Darm, Hepatopankreas, Kiemen und Samenleiter) sowie in Oocyten und Hämocyten nachweisen. Deshalb wird vermutet, dass dHDL als Energielieferant in Stoffwechsel-aktiven Organen und als Speicherprotein in Oocyten dient. Eine endocytotische Aufnahme konnte gezeigt werden.

Aberrant low expression level of bovine beta-lactoglobulin is associated with a C to A transversion in the BLG promoter region

Beta-lactoglobulin (beta-LG) is the major whey protein in cow's milk. It is well established that the predominant 2 genetic variants, beta-LG A and B, are differentially expressed. Extensive investigation of the genetic variation in the promoter region of the BLG gene revealed the existence of specific haplotypes associated with the A and B variants, respectively. However, the genetic basis for the differential expression of BLG A and B alleles is still elusive. We have previously reported a quantitative beta-LG B variant, characterized by a very low beta-LG protein expression level. Here, we report that the corresponding BLG allele (BLG B*) shows a correspondingly low mRNA expression level. Comparative DNA sequencing of 7,670 bp of the BLG B* allele and the established BLG B allele revealed a unique difference of a C to A transversion at position 215 bp upstream of the translation initiation site (g.-215C>A). This mutation segregated perfectly with the differential phenotypic expression in a paternal half-sib family and could be confirmed in 2 independent cases. The sequence of the BLG B allele in the region of the mutation is highly conserved among 4 related ruminant species. The site of the mutation corresponds to a putative consensus-binding sequence for the transcription factors c-Rel and Elk-1 as predicted by searching the TRANSFAC database. The beta-LG B* site might be relevant in the natural production of milk of low beta-LG content.

Accessing novel developmental mechanisms in the mouse by gene trapping

Genetic analysis is a powerful method for analyzing the function of specific genes in development. I sought to identify novel genes in the mouse using a genetic analysis relying on the expression pattern and phenotype of mutated genes. To this end, I have conducted a gene trap screen using the vector $\rm SA\beta geo,$ a promoterless DNA construct that encodes a fusion protein with lacZ and neomycin resistance activities. Productive integration and expression of the $\beta$geo protein in embryonic stem (ES) cells requires integration into an active transcription unit. The endogenous regulatory elements direct reporter gene expression which reflects the expression of the endogenous gene. Of eight mouse lines generated from gene trap ES cell clones, four showed differential regulation of $\beta$geo activity during embryogenesis. These four were analyzed in more detail.^ Three of the lines RNA 1, RNA2 and RNA 3 had similar expression patterns, within subsets of cells in sites of embryonic hematopoiesis. Cloning of the trapped genes revealed that all three integrations had occurred within 45S rRNA precursor transcription units. These results imply that there exists in these cells some mechanism responsible for the efficient production of the $\beta$geo protein from an RNA polymerase I transcript that is not present in most of the cells in the embryo.^ The fourth line, GT-2, showed widespread, dynamic expression. Many of the sites of expression were important classic embryonic induction systems. Cloning of the sequences fused to the $5\sp\prime$ end of the $\beta$geo sequence revealed that the trapped gene contained significant sequence homology with a previously identified human sequence HumORF5. An open reading frame of this sequence is homologous to a group of eukaryotic proteins that are members of the RNA helicase superfamily I.^ Analysis of the gene trap lines suggests that potentially novel developmental mechanisms have been uncovered. In the case of RNA 1, 2 and 3, the differential production of ribosomal RNAs may be required for differentiation or function of the $\beta$geo positive hematopoietic cells. In the GT-2 line, a previously unsuspected temporal and spatial regulation of a putative RNA helicase implies a role for this activity during specific aspects of mouse development. ^

Sleep-Wake Cycle Dysfunction in the TgCRND8 Mouse Model of Alzheimer's Disease: From Early to Advanced Pathological Stages.

In addition to cognitive decline, individuals affected by Alzheimer's disease (AD) can experience important neuropsychiatric symptoms including sleep disturbances. We characterized the sleep-wake cycle in the TgCRND8 mouse model of AD, which overexpresses a mutant human form of amyloid precursor protein resulting in high levels of β-amyloid and plaque formation by 3 months of age. Polysomnographic recordings in freely-moving mice were conducted to study sleep-wake cycle architecture at 3, 7 and 11 months of age and corresponding levels of β-amyloid in brain regions regulating sleep-wake states were measured. At all ages, TgCRND8 mice showed increased wakefulness and reduced non-rapid eye movement (NREM) sleep during the resting and active phases. Increased wakefulness in TgCRND8 mice was accompanied by a shift in the waking power spectrum towards fast frequency oscillations in the beta (14-20 Hz) and low gamma range (20-50 Hz). Given the phenotype of hyperarousal observed in TgCRND8 mice, the role of noradrenergic transmission in the promotion of arousal, and previous work reporting an early disruption of the noradrenergic system in TgCRND8, we tested the effects of the alpha-1-adrenoreceptor antagonist, prazosin, on sleep-wake patterns in TgCRND8 and non-transgenic (NTg) mice. We found that a lower dose (2 mg/kg) of prazosin increased NREM sleep in NTg but not in TgCRND8 mice, whereas a higher dose (5 mg/kg) increased NREM sleep in both genotypes, suggesting altered sensitivity to noradrenergic blockade in TgCRND8 mice. Collectively our results demonstrate that amyloidosis in TgCRND8 mice is associated with sleep-wake cycle dysfunction, characterized by hyperarousal, validating this model as a tool towards understanding the relationship between β-amyloid overproduction and disrupted sleep-wake patterns in AD.

Uncoupling of transfer of the presequence and unfolding of the mature domain in precursor translocation across the mitochondrial outer membrane

Translocation of mitochondrial precursor proteins across the mitochondrial outer membrane is facilitated by the translocase of the outer membrane (TOM) complex. By using site-specific photocrosslinking, we have mapped interactions between TOM proteins and a mitochondrial precursor protein arrested at two distinct stages, stage A (accumulated at 0°C) and stage B (accumulated at 30°C), in the translocation across the outer membrane at high resolution not achieved previously. Although the stage A and stage B intermediates were assigned previously to the forms bound to the cis site and the trans site of the TOM complex, respectively, the results of crosslinking indicate that the presequence of the intermediates at both stage A and stage B is already on the trans side of the outer membrane. The mature domain is unfolded and bound to Tom40 at stage B whereas it remains folded at stage A. After dissociation from the TOM complex, translocation of the stage B intermediate, but not of the stage A intermediate, across the inner membrane was promoted by the intermembrane-space domain of Tom22. We propose a new model for protein translocation across the outer membrane, where translocation of the presequence and unfolding of the mature domain are not necessarily coupled.

Identification of the prooxidant site of human ceruloplasmin: A model for oxidative damage by copper bound to protein surfaces

Free transition metal ions oxidize lipids and lipoproteins in vitro; however, recent evidence suggests that free metal ion-independent mechanisms are more likely in vivo. We have shown previously that human ceruloplasmin (Cp), a serum protein containing seven Cu atoms, induces low density lipoprotein oxidation in vitro and that the activity depends on the presence of a single, chelatable Cu atom. We here use biochemical and molecular approaches to determine the site responsible for Cp prooxidant activity. Experiments with the His-specific reagent diethylpyrocarbonate (DEPC) showed that one or more His residues was specifically required. Quantitative [14C]DEPC binding studies indicated the importance of a single His residue because only one was exposed upon removal of the prooxidant Cu. Plasmin digestion of [14C]DEPC-treated Cp (and N-terminal sequence analysis of the fragments) showed that the critical His was in a 17-kDa region containing four His residues in the second major sequence homology domain of Cp. A full length human Cp cDNA was modified by site-directed mutagenesis to give His-to-Ala substitutions at each of the four positions and was transfected into COS-7 cells, and low density lipoprotein oxidation was measured. The prooxidant site was localized to a region containing His426 because CpH426A almost completely lacked prooxidant activity whereas the other mutants expressed normal activity. These observations support the hypothesis that Cu bound at specific sites on protein surfaces can cause oxidative damage to macromolecules in their environment. Cp may serve as a model protein for understanding mechanisms of oxidant damage by copper-containing (or -binding) proteins such as Cu, Zn superoxide dismutase, and amyloid precursor protein.

Molecular cloning, sequence, expression, and processing of the interleukin 16 precursor

Interleukin 16 (IL-16) has been shown to function as chemoattractant factor, as a modulator of T-cell activation, and as an inhibitor of immunodeficiency virus replication. The recent identification of inconsistencies in published IL-16 cDNA nucleotide sequences led to the proposal that IL-16 is synthesized in the form of a large precursor protein (pro-IL-16). To identify the true transcriptional start of the IL-16 mRNA rapid amplification of cDNA ends methods were applied. The complete pro-IL-16 cDNA was subsequently molecularly cloned, sequenced, and expressed in COS-7 cells. We report here that pro-IL-16 is most likely synthesized as a 67-kDa protein and is encoded from a major 2.6-kb transcript. Recombinant pro-IL-16 polypeptides are specifically cleaved in lysates of CD8(+) cells, suggesting that the naturally secreted bioactive form of IL-16 is smaller than the originally published 130 amino acids fragment. Moreover, in contrast to other interleukins such as IL-15, IL-16 mRNA expression is almost exclusively limited to lymphatic tissues underlining the potential of IL-16 as an immune regulatory molecule.

Nascent Polypeptide–associated Complex Stimulates Protein Import into Yeast Mitochondria

To identify yeast cytosolic proteins that mediate targeting of precursor proteins to mitochondria, we developed an in vitro import system consisting of purified yeast mitochondria and a radiolabeled mitochondrial precursor protein whose C terminus was still attached to the ribosome. In this system, the N terminus of the nascent chain was translocated across both mitochondrial membranes, generating a translocation intermediate spanning both membranes. The nascent chain could then be completely chased into the mitochondrial matrix after release from the ribosome. Generation of this import intermediate was dependent on a mitochondrial membrane potential, mitochondrial surface proteins, and was stimulated by proteins that could be released from the ribosomes by high salt. The major salt-released stimulatory factor was yeast nascent polypeptide–associated complex (NAC). Purified NAC fully restored import of salt-washed ribosome-bound nascent chains by enhancing productive binding of the chains to mitochondria. We propose that ribosome-associated NAC facilitates recognition of nascent precursor chains by the mitochondrial import machinery.

Sec61p Serves Multiple Roles in Secretory Precursor Binding and Translocation into the Endoplasmic Reticulum Membrane

The evolutionarily conserved Sec61 protein complex mediates the translocation of secretory proteins into the endoplasmic reticulum. To investigate the role of Sec61p, which is the main subunit of this complex, we generated recessive, cold-sensitive alleles of sec61 that encode stably expressed proteins with strong defects in translocation. The stage at which posttranslational translocation was blocked was probed by chemical crosslinking of radiolabeled secretory precursors added to membranes isolated from wild-type and mutant strains. Two classes of sec61 mutants were distinguished. The first class of mutants was defective in preprotein docking onto a receptor site of the translocon that included Sec61p itself. The second class of mutants allowed docking of precursors onto the translocon but was defective in the ATP-dependent release of precursors from this site that in wild-type membranes leads to pore insertion and full translocation. Only mutants of the second class were partially suppressed by overexpression of SEC63, which encodes a subunit of the Sec61 holoenzyme complex responsible for positioning Kar2p (yeast BiP) at the translocation channel. These mutants thus define two early stages of translocation that require SEC61 function before precursor protein transfer across the endoplasmic reticulum membrane.

A plastid enzyme arrested in the step of precursor translocation in vivo.

The key enzyme of chlorophyll biosynthesis in higher plants, NADPH:protochlorophyllide (Pchlide) oxidoreductase (POR, EC 1.3.1.33), accumulates in its precursor form (pPORA) in barley. pPORA is bound to the chloroplasts and is able to interact with the enzyme's substrate, Pchlide, at both the cytosolic as well as the stromal side of the plastid envelope. The interaction with intraplastidic Pchlide, formed in ATP-containing chloroplasts upon feeding with -aminolevulinic acid, drives vectorial translocation of pPORA across the plastid envelope membranes. In contrast, exogenously applied Pchlide causes the release of the envelope-bound precursor protein to the cytosol. Both processes compete with each other if intra- and extraplastidic Pchlide are applied simultaneously. A cytosolic heat shock cognate protein of Mr 70,000 present in wheat germ and barley leaf protein extracts appears to prevent the release of the pPORA to the cytosol in vivo, however.