Aß biology and its contribution to Alzheimer's disease

Abstract

A doença de Alzheimer (DA) é uma desordem neurodegenerativa progressiva patologicamente caracterizada pela presença de placas de amilóide (placas senis) insolúveis e também pela presença de tranças neurofibrilhares,formadas pela proteína Tau hiperfosforiladada. O principal constituinte das placas senis é o peptídeo beta-amilóide (Ab), que deriva do processamento proteolítico da proteína precursora de amilóide de Alzheimer (APP). Embora Ab exista como um agregado pouco solúvel nas placas senis, ele é secretado pelas células como uma molécula solúvel. O Ab “per se” pode afectar o metabolismo da APP. Alguns autores sugerem que o Ab exerce o seu efeito alterando o processamento ou catabolismo da APP, outros sugerem que ele também induz a transcrição da APP, onde aumentando os níveis da APP pode estar a contribuir para a sua própria produção (mecanismo de “feedback” positivo). Assim sendo, torna-se difícil consolidar todas estas observações e identificar as potenciais funções fisiológicas do Ab “in vivo”, ou as consequências da sua produção. Neste trabalho caracterizaram-se os efeitos do Ab no metabolismo da APP. Os nossos estudos revelaram que um dos mecanismos induzidos pelo Ab é a acumulação intracelular do fragmento neuroprotector sAPP (isAPPa) em estruturas com características vesiculares associadas ao citosqueleto. Estudos adicionais em culturas primárias revelaram que o Ab estava a exercer o seu efeito ao nível da secreção vesicular, provavelmente interferindo com o transporte de APP/sAPP ao longo da rede do citosqueleto. Esta hipótese é sustentada pelo facto do Ab estar a afectar a estabilidade e a polimerização de proteínas envolvidas na dinâmica do citosqueleto. Contrariamente a publicações anteriores o Ab não induziu a transcrição da APP, na verdade em culturas primárias neuronais foi observado uma diminuição nos níveis de expressão da APP. Isto foi acompanhado por um aumento nos fragmentos C-terminais da APP (CTFs) e uma diminuição na localização nuclear do seu domínio intracelular (AICD), sugerindo alterações na sinalização nuclear da APP. O Ab pode afectar outras vias de sinalização, particularmente alterando o balanço entre as actividades das proteínas cinases e fosfatases, o que pode ter consequências para o desenvolvimento da doença. Os dados obtidos indicam que o Ab é capaz de inibir a actividade da proteína fosfatase1, a sua importância numa perspectiva de futuras terapias é discutida. Devido à relevância da agregação do Ab para a sua toxicidade, a formação de complexos com proteínas que promovem a sua desagregação/degradação e o seu efeito no processamento da APP foi avaliado. Na presença destes complexos observou-se uma reversão da acumulação isAPP, demonstrando o potencial terapêutico destas proteínas como moduladores do metabolismo da APP. Este trabalho permitiu compreender melhor os mecanismos envolvidos nos efeitos do Ab no processamento da APP e descobrir algumas moléculas que podem ser relevantes numa perspectiva de diagnóstico e terapia na DA.

Alzheimer´s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disorder pathologically characterized by the presence of extracellular deposition of insoluble amyloid plaques (senile plaques) and also by the appearance of neurofibrillary tangle-bearing neurons, mainly composed of hyperphosphorylated Tau protein. The major component of senile plaques is the amyloid-beta (Ab) peptide, derived from proteolytic processing of the Alzheimer´s amyloid precursor protein (APP). Although Ab exists as an aggregated, poorly soluble form in brain deposits, it is secreted from cells during normal metabolism as a soluble molecule. Ab “per se” has been reported to affect APP metabolism, and while some authors suggest that it may exert its effects by altering APP processing/catabolism, others reported that it also induces APP transcription. This latter observation suggested a positive feedback mechanism resulting in increased APP levels, thus Ab would stimulate its own production. Difficulties arise when trying to consolidate all these observations and to identify the potential “in vivo” physiological role of Ab, or the consequences of its overproduction in AD. Hence, in this work we characterized the Ab effects on APP metabolism. Our studies reveal that mechanistically Ab leads to intracellular retention of the neuroprotective fragment (isAPPa) at vesicular-like densities associated with the cytoskeleton. Additional studies in primary neuronal cultures revealed that Ab was exerting an inhibitory effect at the vesicular secretory level, probably by interfering with APP/sAPP transport along the cytoskeleton network. This hypothesis was supported by the fact that Ab was affecting the stability and polymerization of proteins involved in cytoskeleton dynamics. Contrary to previous observations Ab did not induce APP transcription. In fact for primary neuronal cultures we observed a decrease on APP expression levels. This was accompanied by an increase in APP C-terminal fragments (CTFs) and decreased APP intracellular domain (AICD) nuclear targeting, suggesting altered APP nuclear signaling. Ab may affect other signaling cascades, for instance by altering the balance between kinase and phosphatase activities which may have consequences for the disease progression. Data obtained reveals that Ab was able to inhibit protein phosphatase1 activity, and the importance of this for therapeutic approaches is discussed. Further, it is also known that Ab aggregation state is associated with its neurotoxicity. Hence, Ab complex formation with proteins that promote its disaggregation/clearance and its effect on APP processing was evaluated. These complexes reverse isAPP retention, thus demonstrating the therapeutic potential of these proteins as modulators of APP metabolism. The work in this thesis allowed for a better understanding of the molecular mechanisms underlying Ab effects on APP metabolism and identified molecules relevant for diagnosis and therapy in AD.