Biologische Modifikation der APP-Prozessierung zu Amyloid-beta Peptiden durch Beeinflussung von Kinasen
Final Report Abstract
Der Ausgangspunkt des Projekts war die Prozessierung des Amyloid Precursor Proteins (APP) in Neuronen zum Amyloid-beta Peptid (Aß). Da diesem Prozess eine wichtige Rolle bei der Alzheimer’schen Krankheit (AD) zugeschrieben wird, ging es bei dem Projekt um die Entdeckung und Charakterisierung neuer Regulationsmechanismen. Die zentrale Projektidee ging davon aus, dass Kinasen die proteolytische Prozessierung von APP durch sogenannte Sekretasen, wie die beta-Sekretase (BACE), beeinflussen. Ein zentrales Element des Projektvorschlags war die Identifikation solcher Kinasen über siRNA Screens, und deren weitere Charakterisierung. Die Hintergrundfragestellung bezog sich auf die Identifikation neuer Regelmechanismen der Aß Synthese, die dann als neue Zielstrukturen für Medikamente getestet werden könnten. Parallel wurde ein interessantes neues Modell etabliert um APP-Prozessierung in menschlichen Neuronen zu verfolgen. Es handelt sich um das sogenannte LUHMES-Zellmodell. Diese Zellen sind besonders interessant, da in menschlichen Neuronen andere Kinasen eine Rolle spielen, als in vielen immortalisierten Zelllinien. Diese Zellen bilden ausgeprägte Neuriten aus, was eine wichtige Rolle für die APP Prozessierung spielt. Insgesamt wurde das Model für eine breite wissenschaftliche Anwendung erschlossen und in viele Labors weitervermittelt. In diesem Model ließen sich überraschende neue Befunde erzielen. Es wurde tatsächlich eine Kinase entdeckt, deren Aktivität zu einer höheren Aß-Freisetzung beiträgt. Es handelt sich dabei um die Rezeptortyrosinkinase RET. Dieses Protein hat eine sehr zellspezifische Expression und konnte z.B. in den zum Screen benutzten HEK293-Zellen nicht entdeckt werden, da es dort nicht exprimiert wird. Die Rolle von RET wurde im LUHMES-Model ausführlich charakterisiert. In einer Seitenlinie des Projekts wurde das Neuritenwachstum der Zellen, die dopaminfrei wuchsen, näher charakterisiert. Es zeigte sich, dass erstmals ein gutes Model menschlicher Neuronen zur Verfügung stand, um toxische Effekte auf das Neuritenwachstum zu erfassen. Hier zeigten einige Kinasehemmer sehr spezifische und robuste Effekte. Das Modelsystem führte zu einer zweiten wichtigen Erkenntnis: Es war bisher unklar welche Rolle eine erhöhte BACE Aktivität für die Freisetzung von Aß haben würde. Die normal verwendeten Tiermodelle basieren auf einer erhöhten Expression von APP. Bei der menschlichen Alzheimer’schen Erkrankung ist jedoch die Menge dieses Proteins nur wenig verändert, während erhöhte Aktivitäten von BACE vorliegen können. Das LUHMES-Zellmodell erlaubte die Manipulation der BACE-Aktivität, während normales endogenes, unmutiertes APP von den Zellen konstitutiv exprimiert wurde. In diesem Modell ergaben sich erstaunliche pharmakologische Befunde. Wir identifizierten Situationen, in denen die Hemmung von BACE zu einer erhöhten Produktion von Aß führt. Diese kontraintuitive Situation hielt bisher allen Kontrollexperimenten stand. Wir halten es für wichtig, dass Versuche an ausdifferenzierte menschliche Neuronen Hinweise auf mögliche Therapieprobleme geben können, die bisher übersehen wurden, da vergleichbare Modelle nicht zur Verfügung standen. Insgesamt führte das Projekt damit zu einigen spannenden neuen Erkenntnissen, die bei Projektbeginn so nicht zu erwarten waren, währen der Kinasescreen an sich keine neuen Erkenntnisse lieferte.
Publications
- (2009). Measurement of cellular beta-site of APP cleaving enzyme 1 activity and its modulation in neuronal assay systems. Anal Biochem, 387, 220-234
Volbracht C, Penzkofer S, Mansson D, Christensen KV, Fog K, Schildknecht S, Nielsen J, Leist M
- (2011). Assessment of chemical-induced impairment of human neurite outgrowth by multiparametric live cell imaging in high-density cultures. Toxicol Sci 121: 73 – 87
Stiegler N, Krug A, Matt F, Leist M
- (2011). Rapid, complete and large-scale generation of post-mitotic neurons from the human LUHMES cell line. J Neurochem 119, 957-971
Scholz D, Pöltl D, Genewsky A, Weng M, Waldmann T, Schildknecht S, Leist M
- (2011). Regulation of Alzheimer’s disease-relevant protein processing in human neurons of the LUHMES cell line. Dissertation – Uni Konstanz
Scholz D
- (2011). Screen for kinases affecting amyloidogenic cleavage by BACE1. Dissertation – Uni Konstanz
Penzkofer S
- (2012). Control of A-beta release from human neurons by differentiation status and RET signaling. Neurobiol Aging
Scholz D, Chernyshova Y, Leist M
(See online at https://doi.org/10.1016/j.neurobiolaging.2012.03.012)
