Der Einfluss AICD abhängiger Lipidveränderungen auf die APP-Prozessierung und die mögliche Implikation der Methylxanthine bei der Alzheimer Erkrankung

Abstract

Die Alzheimer Krankheit (AD) ist die häufigste Form der Demenz und eine der häufigsten Todesursachen in den Industrienationen. AD ist durch neuronale Degeneration gekennzeichnet und führt so zum Verlust kognitiver Funktion. Die Pathogenese von AD ist unter anderem durch die Akkumulation extrazellulärer amyloider Plaques, bestehend aus Amyloid-β (Aβ), dem Auftreten intrazellulärer Neurofibrillenbündel sowie erhöhtem oxidativen Stress, einer Veränderung der Elektrophysiologie und einer veränderten Lipidkomposition charakterisiert. Aβ entsteht infolge der amyloidogenen Prozessierung des Vorläuferproteins APP. Die amyloidogene APP-Prozessierung erfolgt durch die proteolytische Aktivität der β- und γ-Sekretase, während die nicht-amyloidogene Prozessierung durch die α- und γ-Sekretase vermittelt wird und die Entstehung von Aβ unterbindet.

Es wird seit längerem eine genregulatorische Aktivität der intrazellulären Domäne von APP (AICD) diskutiert. Verschiedene Forschungsgruppen konnten zeigen, dass AICD durch die Aktivität der γ-Sekretase in das Zytosol freigesetzt wird und dort mit Adaptorproteinen interagieren kann, um schließlich in den Nukleus zu translozieren. Es wurde eine Vielzahl möglicher Zielgene postuliert.

Sowohl APP als auch die APP-prozessierenden Sekretasen sind membranständige Proteine. Ein Einfluss der Lipidumgebung auf die APP-Prozessierung konnte in zahlreichen Studien bestätigt werden. Weiterhin konnten markante Veränderungen des Lipidprofils im Hirngewebe von AD-Patienten demonstrieren werden. Daher werden Veränderungen der Lipidkomposition sowohl in der Entstehung der AD als auch im Verlauf der Erkrankung diskutiert.

Diese Arbeit untersucht den Einfluss von AICD auf die Lipidspezies der Phosphatidylcholine, Phosphatidylethanolamine, Ceramide und lysierten Phosphatidylcholine.

Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden Lipidextrakte von AICD-defizienten Zellen und von Wildtyp-Zellen extrahiert, massenspektrometrisch analysiert und der Anteil der mehrfach ungesättigten Fettsäuren der einzelnen Lipidspezies untersucht.

Die Lipidextrakte AICD-defizienter Zellen zeigten vor allem in der Lipidspezies der Phosphatidylethanolamine ein erhöhtes Verhältnis von mehrfach ungesättigten Fettsäuren im Vergleich zu gesättigten oder einfach ungesättigten Fettsäuren sowie eine erhöhte Konzentration von Docosahexaensäure. Außerdem wurde der bereits publizierte Einfluss von AICD auf die Ceramide und Plasmalogene bestätigt.

Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Einfluss der generierten Lipidextrakte auf die β- und auf die γ-Sekretase untersucht. Hierfür wurden humane Neuroblastom-Zellen und murine Fibroblasten mit Lipidextrakten behandelt. Die Lipidextrakte AICD-defizienter Zellen führten zu einer signifikanten Reduktion des Gesamt-Aβ, während die Lipidextrakte von Wildtyp- und von AICD-überexprimierenden Zellen zu einer Erhöhung führten. Als Mechanismus konnte eine direkte, modifizierende Wirkung der Lipidextrakte sowohl auf die β- als auch auf die γ-Sekretase identifiziert werden.

Es besteht eine bidirektionale Wechselwirkung zwischen der APP-Prozessierung und der Lipidhomöostase. Das Verständnis dieser Interaktion soll in dieser Arbeit durch den Einfluss von AICD auf die mehrfach ungesättigten Fettsäuren ergänzt werden.

Abschließend untersucht diese Arbeit die Methylxanthine Coffein und Propentofyllin. Beide Substanzen werden als therapeutische Optionen für die Behandlung der AD diskutiert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte ein direkter Effekt der Methylxanthine auf die α- und β-Sekretase nachgewiesen werden.

Alzheimer´s disease (AD) is the most common type of dementia and a leading cause of death in the first world. AD is defined by neuronal degeneration leading to a loss of cognitive function. The pathogenesis of AD is characterized by the accumulation of amyloid plaques, consisting of amyloid-β, the occurrence of intracellular neurofibrillary tangles, oxidative stress, alterations of the electrophysiology and a change in lipid composition. Aβ is produced as a result of the amyloidogenic processing of its precursor protein APP. The amyloidogenic proteolysis of APP is mediated by the β- and γ-secretase, while the non-amyloidogenic pathway mediated by α- and γ-secretase activity excludes the production of Aβ. The intracellular domain of APP is discussed to have gene-regulatory properties. Various research teams demonstrated that AICD is liberated into the cytosol by γ-secretase activity and able to interact with adaptor proteins, finally translocating in to the nucleus. A multitude of possible target genes were postulated in this context. Both APP and the APP-processing secretases are membrane bound proteins and an effect of the lipid environment on the processing of APP was demonstrated in multiple studies. Additionally, various research teams observed striking alterations of the lipid profile in the brain tissue of AD patients. As a result, changes of the lipid profile are discussed in the development and the course of AD. This thesis studies the impact of AICD on phosphatidylcholin, phosphatidylethanolamin, ceramides and lysed phosphatidylcholin. Lipid extractions of both AICD-deficient cells and wild type cells were generated and analyzed by mass spectrometry. The saturation level of each lipid was investigated. The lipid extractions of AICD-deficient cells showed an increase in poly unsaturated phosphatidylethanolamine as compared to single unsaturated or saturated fatty acids and an increase in docosahexaenoic acid. Additionally the already published effect of AICD on ceramid and plasmalogen levels was reproduced. The second part of the thesis studied the effect of the generated lipid extracts on the β- and γ-secretase. Humane neuroblastoma cells and murine fibroblasts were treated with 4 the lipid extracts and total Aβ was quantified using Western blotting. The incubation of lipid extracts from AICD-deficient cells resulted in a significant reduction of total Aβ levels, while the lipid extracts of AICD expressing cells lead to an increase. Mechanistically, this thesis demonstrates a direct modification of β- and γ-secretase activity by the lipid extractions. A bidirectional interaction between APP-processing and the lipid homeostasis has been described. The effect of AICD on poly unsaturated fatty acids additionally contributes to this interaction. Lastly, this thesis examines the xanthine compounds Caffeine and Propentofylline. Both substances have been discussed as therapeutic options in the treatment of AD. The methylxanthine derivates showed a direct effect on α- and β-secretase activity.