Посещений:
Regulation of amyloid precursor protein processing
Регуляция процессинга амилоидного предшественника

APP processing is regulated by cytoplasmic phosphorylation.
Lee, M.-S, Sh. Kao, C. A. Lemere et al.
J. Cell Biol. V. 163, N 1. P. 83-95 (2003)

Heparan sulfate regulates amyloid precursor protein processing by BACE1, the Alzheimer's -secretase.
Scholefield, Z., E. A. Yates, G. Wayne et al.
J. Cell Biol. V.163, N 1. P. 97-107 (2003)

Перевод И.Г. Лильп (lilp@mail.ru)
 | Cleavage of APP by BACE1 (red) is prevented by specific HS (green) structures.

Amyloid plaqueformation can be inhibited by an unlikely culprit, accordingto work by Scholefield et al. on page 97. The group finds thatheparan sulfate (HS)—normally a part of the cell surfaceand extracellular matrix—functions in cells to slow theproduction of the plaque components of Alzheimer's disease.

Amyloid plaques are aggregates of the amyloid ?-peptide(A?). A? is produced upon intracellularcleavage of the amyloid precursor protein (APP) by the BACE1?-secretase and subsequent processing of one of theresulting fragments by γ-secretase. Plaque aggregation in theextracellular matrix is promoted by HS. Scholefield et al. nowshow that HS also has an anti-plaque activity: it inhibits BACE1.

The group finds that HS and BACE1 colocalize at the cell surfaceand in the Golgi—both regions that have been suggestedas sites of APP cleavage. HS binding to BACE1 inhibited theprotease's ability to cleave APP by blocking APP's access tothe active site.

The level of inhibition of BACE1 was dependent on various aspectsof HS structure, including saccharide length and degree of sulfation.Since HS is widely expressed, basal BACE1 activity may be lowunless regulated alteration of HS structural motifs relievesthe inhibition. The structural specificity of HS inhibitionof BACE1 is also consistent with the fact that HS structuresare known to change with age and in Alzheimer's disease–affectedindividuals.

In another article in this issue that addresses BACE1 regulation,Lee et al. (page 83) show that BACE1 cleavage is promoted byphosphorylation of APP. These insights into BACE1 regulationshould benefit those trying to design drugs that target itsactivity. Novel heparan-based drugs could even prevent Alzheimer'sin two ways—they might be designed both to inhibit BACE1production of A? and to interfere with HS promotionof A? aggregation.



Nicole LeBrasseur

lebrasn@rockefeller.edu

Амилоидный-β пептид (Aβ), агрегирующий и формирующий амилоидные бляшки в мозге, которые являются характерным признаком болезни Альцгеймера (Alzheimer's disease – AD), является продуктом последовательного расщепления белка амилоидного предшественника (amyloid precursor protein – APP) β и γ секретазами. Сразу в двух публикациях сообщили об идентификации контрольных моментов APP процессинга, манипуляции с которыми могут способствовать разработке методов лечения этого тяжелого заболевания.
Несколько киназ (kinases), участвующих в нейродегенерации, катализируют фосфорилирование threonine 668 (Thr668) APP. По существу, L.-H. Tsai с соавт. исследовали роль этой реакции в развитии AD. Они обнаружили повышенный уровень фосфорилирования Thr668 в мозге больных AD, особенно в гиппокампе. Последующая иммунолокализация показала, что экспрессия Thr668-фосфорилированного APP совпадала с экспрессией гиперфосфорилированного tau, клубочки которого имеются в мозге больных AD.
Интересно то, что Thr668-фосфорилированный APP также ко-локализуется с β- secretase (BACE1). Предположили, что Thr668 фосфорилирование играет определенную роль в регуляции активности BACE1. Такое предположение оказалось вполне оправданным, когда было показано, что образование Aβ значительно снижалось после подавления Thr668 фосфорилирования. По мнению авторов, фосфорилирование Thr668, вероятно, косвенно поражает активность BACE1 через влияние на внутриклеточную сортировку (intracellular sorting) и поток (trafficking) APP и, следовательно, на их доступность к ферменту.
Более прямой механизм регуляции активности BACE1 был продемонстрирован J. Turnbull с соавт. Эти исследователи попытались выяснить, может ли гепаран сульфат (heparan sulphate) – протеогликан, ассоциирующийся с Aβ бляшками – участвовать в образовании Aβ. Исследования in vitro показали, что расщепление APP посредством BACE1 подавлялось гепаран сульфатом и зависело от его дозы. Модификация паттерна сульфатации (sulphation) гепаран сульфата и число мономеров сахарида также влияли на степень подавления.
Affinity filter оценка показала прямое взаимодействие между гепаран сульфатом и BACE1. Авторы предположили, что в нормальном мозге эндогенный гепаран сульфат связывается с (или около) активным сайтом BACE1, предотвращая таким образом «стыковку» его APP субстрата, расщепление и последующее образование Aβ фибрилл. Нарушение такого взаимодействия может вносить определенный вклад в патогенез AD и этот процесс является привлекательной мишенью для разработки лекарственных препаратов, которые могли бы быть использованы при лечении AD.



Cohen, E. et al.

Opposing activities against age onset proteotoxicity.

Science 10 August 2006 (doi:10.1126/science.1124646)


Молекулярный механизм, предложенный для объяснения болезни Алцгеймера (AD), которая обычно наступает в возрасте 50-80-лет, связан со старением. В Science исследователи показали, что транскрипционные факторы HSF-1 и DAF-16, которые регулируются с помощью центрального пути старения, обладают противоположными disaggregation и агрегационнной активностью, которые действуют вместе, предупреждая AD.
AD, подобно др. нейродегенеративным болезням с поздним началом, коррелирует с агрегацией токсического аберрантного белка - в частности, белка амилоидного предшественника, разрезанного до Aβ1-42 пептидов, которые агрегируют. Но почему обусловленная агрегацией токсичность связана с возрастом, оставалось неясным.
Cohen, Bieschke и др. изучали, может ли увеличение продолжительности жизни ( или замедление старения) у Caenorhabditis elegans вызывать задержку начала агрегации. Если это так, то позднее начало AD м.б связано с детоксифицирующей активностью, которая становится ослабленной с возрастом. Если нет, то стахостическое, связанное со временем образование токсических агрегатов достигает порога, что и объясняет позднее начало AD.
Чтобы сделать выбор между этими возможностями исследователи нарушали путь передачи сигналов инсулина, который является центральным в регуляции старения у червей, мух и млекопитающих. У C. elegans единственный рецептор инсулина, DAF-2, передает сигнал, который снижает экспрессию генов, которые регулируются с помощью транскрипционных факторов DAF-16 и HSF-1, приводя к укорочению продолжительности жизни. Нокдаун daf-2 у C. elegans, которые экспрессируют Aβ1-42 человека показал, что черви с более продолжительным периодом жизни обнаруживают снижение накопления агрегатов - позднее начало, следовательно, обусловлено нарушением детоксифицирующей активности скорее, чем стохастическим накоплением. Двойной нокдаун daf-2 или с daf-16 или с hsf-1, однако, обращает этот эффект.
Итак, как же DAF-16 и HSF-1 ингибируют токсичность белковых агрегатов? Проверка количеств Aβ1-42 агрегатов высокого молекулярного веса aggregates и малых Aβ1-42 агрегатов привела к интересным находкам. Во-первых, HSF1 регулирует disaggregation Aβ1-42 агрегатов, тогда как DAF-16 этого не делает. Напротив DAF-16 обеспечивает формирование агрегатов Aβ1-42 высокого молекулярного веса, но эти агрегаты не коррелируют с токсичностью, Наконец, малые Aβ1-42 агрегаты коррелируют с токсичностью.
Всё это указывает на механизм, который связывает старение с поздним началом AD. Как только формируются агрегаты, активность HSF-1 обеспечивает их дезагрегацию. Активность DAF-16 поддерживает альтернативный путь (который вообще-то действует как back-up путь), который обеспечивает образование низко токсичных агрегатов высокого молекулярного веса из высоко токсичных малых агрегатов. Т.к. оба пути детоксификации обеспечиваются с помощью связанного с возрастом пути передачи инсулина, то оба могут нарушаться с возрастом, приводя к образованию агрегатов.
Интересно, что т.к. путь передпачи сигналов инсулина ассоциирован также с формированием др. токсических агрегатов, таких как те, что ответственны за болезнь Гентингтона, то дальнейшие исследования на этом пути поможет выявить терапевтические мишени для общего предупреждения связанных с агрегацией нейродегенеративных болезней с поздним началом.

Hanseul Park, Jungju Oh, Gayong Shim, et al. In vivo neuronal gene editing via CRISPR-Cas9 amphiphilic nanocomplexes alleviates deficits in mouse models of Alzheimer's disease. Nature Neuroscience volume 22, pages524-528 (2019)



При болезни Альцгеймера накапливается Aβ белок. Поскольку beta-secretase 1 (Bace1) необходима для продукции Aβ пептидов, то целенаправленное воздействие на Bace1 может стать терапевтической стратегией7,8,9. Исследовали могут ли нагруженные CRISPR-Cas9 нанокомплексы эффективно воздействовать на Bace1 в пост-митотических нейронах головного мозга взрослых мышей и продемонстрировали их терапевтическую возможность для пяти семейных случаев болезни Альцгеймера (5XFAD) и для knock-in белка амилоидного предшественника (APP) у мышиных моделей болезни Альцгеймера.
Проверяли может ди Cas9 and single-guide RNAs (sgRNAs) , загруженные в amphiphilic нанокомплекс приводить к эффективному целенаправленному воздействию на пост-митотические нейроны in vivo. Cas9 нанокомплексы были приготовлены путем добавления amphiphilic R7L10 пептида к Cas9-sgRNA в разных соотношениях, это приводило к быстрому образованию стабильных комплексов (Supplementary Fig. 1a-f). Положительные изменения в ζ-потенциалах и устойчивый размер наночастиц указывают на стабильность R7L10-Cas9-sgRNA комплекса (Supplementary Fig. 1g,h). STEM-EDS картирование элементов показало присутствие как азота, так и фосфора в нанокомплексе (Fig. 1c), указывая на успешное образование нанокомплекса из Cas9-sgRNA и R7L10. Внесение этих нанокомплексов в мышиные фибробласты выявило минимальную токсичность при концентрациях до 10µM (Supplementary Fig. 1j). Более того, было установлено, что высокие уровни Cas9 сохраняются в теение недели в головном мозге. В первичных нейронах мышей выявлена генерация indel с существенными частотами в Bace1 и Th мишенях и очень низкая их частота вне мишени (Fig. 1d,e, Supplementary Fig. 2a-c). Мы также наблюдали эффективное разрезание с помощью Cas9 нанокомплексов целенаправленно Bace1, а также второй, уникальной ThsgRNA в первичных нейронах (Supplementary Fig. 2d), и дополнительных типах клеток (Supplementary Fig. 2e). Кроме того, Cas9 нанокомплексы вызывали гомологией управляемые инсерции 2A-eGFP-IRES-Puro кассеты в TH локус нейронов человека, происходящих нейральных стволовых клеток (Supplementary Fig. 3a-e). Очевидно, что Cas9-sgRNA нанокомплексы могут быть использованы для in vitro генетического целенаправленного воздействия на разные локусы во многих типах клеток, включая и пост-митотические нейроны.
Итак, показано, что CRISPR-Cas9 нанокомплексы могут эффективно воздействовать на головной мозг взрослых мышей с минимальными побочными эффектами. Используя эту систему для целенаправленного воздействия на Bace1, супрессировали Aβ-ассоциированную патологию и когнитивные нарушения в двух мышиных моделях болезни Альцгеймера.