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Authors: Czirr, Eva
Title: Gamma-secretase modulators and inhibitors in Alzheimer's disease: influence of genetic background on efficacy and mechanism of action
Online publication date: 8-Oct-2008
Language: english
Abstract: According to the amyloid hypothesis, Alzheimer’s disease (AD) is caused by aberrant production or clearance of the amyloid-β (Aβ) peptides, and in particular of the longer more aggregation-prone Aβ42. The Aβ peptides are generated through successive proteolytic cleavage of the amyloid precursor protein (APP) by the β-site APP cleaving enzyme (BACE) and γ-secretase. γ-secretase produces Aβ peptides with variable C-termini ranging from Aβ34 to Aβ48, presumably by sequential trimming of longer into shorter peptides. γ-secretase is a multiprotein complex consisting of at least four different proteins and the presenilin proteins (PS1 or PS2) contain the catalytic center of the complex. In 2001 several non-steroidal anti- inflammatory drugs were identified as the founding members of a new class of γ-secretase modulators (GSMs) that can selectively reduce production of Aβ42. Concomitantly, these GSMs increase Aβ38 production indicating closely coordinated generation of Aβ42 and Aβ38 and a potential precursor-product relationship between these peptides. GSMs seem to exert their activity by direct modulation of γ-secretase. Support for this hypothesis is drawn from the finding that some PS mutations associated with early-onset familial AD (FAD) can modulate the cellular response to GSMs and to γ-secretase inhibitors (GSIs), which inhibit production of all Aβ peptides and are known to directly interact with PS. A particularly interesting FAD PS mutation is PS1-ΔExon9, a complex deletion mutant that blocks endoproteolysis of PS1 and renders cells completely non-responsive to GSMs. Studies presented in this thesis show that the diminished response of PS1-ΔExon9 to GSMs is mainly caused by its lack of endoproteolytic cleavage. Furthermore, we were able to demonstrate that a reduced response to GSMs and GSIs is not limited to PS1-ΔExon9 but is a common effect of aggressive FAD-associated PS1 mutations. Surprisingly, we also found that while the Aβ42 response to GSMs is almost completely abolished by these PS1 mutations, the accompanying Aβ38 increase was indistinguishable to wild-type PS1. Finally, the reduced response to GSIs was confirmed in a mouse model with transgenic expression of an aggressive FAD-associated PS1 mutation as a highly potent GSI failed to reduce Aβ42 levels in brain of these mice. Taken together, our findings provide clear evidence for independent generation of Aβ42 and Aβ38 peptides, and argue that the sequential cleavage model might be an oversimplification of the molecular mechanism of γ-secretase. Most importantly, our results highlight the significance of genetic background in drug discovery efforts aimed at γ-secretase, and indicate that the use of cellular models with transgenic expression of FAD- associated PS mutations might confound studies of the potency and efficacy of GSMs and GSIs. Therefore, such models should be strictly avoided in the ongoing preclinical development of these promising and potentially disease-modifying therapeutics for AD.
Die Amyloid Hypothese postuliert, dass die Alzheimersche Erkrankung (Alzheimer’s Disease, AD) in erster Linie durch die veränderte Produktion oder auch den reduzierten Abbau des Amyloid-β (Aβ) Peptides entsteht bzw. genauer gesagt durch das längere und stärker zur Aggregation neigende Aβ42. Die Aβ Peptide werden durch den aufeinanderfolgenden Schnitt des Amyloid-Vorläuferproteins (Amyloid Precursor Protein, APP) durch die β-Sekretase und die γ-Sekretase gebildet. Der Schnitt der γ-Sekretase ist variabel und produziert Aβ Peptide mit Längen zwischen 34 und 48 Aminosäuren vermutlich durch sequentiellen Verdau der längeren in die kürzeren Peptide. Die γ-Sekretase ist ein Multiproteinenzymkomplex aus mindestens vier verschiedenen Proteinen, wobei die Preseniline (PS1 oder PS2) das katalytische Zentrum bilden. 2001 wurde gezeigt, dass einige nicht-steroidale entzündungshemmende Medikamente (non-steroidal anti-inflammatory drugs, NSAIDs) spezifisch die Produktion von Aβ42 reduzieren und bilden somit die Basis für eine neue Klasse von γ-Sekretase Modulatoren (GSMs). Gleichzeitig mit der Reduktion von Aβ42 wird die Menge an Aβ38 erhöht, was auf eine koordinierte Produktion dieser beiden Peptide hinweist. GSMs scheinen die γ-Sekretase direkt zu modulieren. Diese Hypothese wird gestützt von der Beobachtung, dass Mutationen in den PS Proteinen die mit familiären Alzheimer Erkrankungen (FAD) im Zusammenhang stehen die zelluläre Antwort auf γ-Sekretase Modulatoren und γ-Sekretase Inhibitoren (GSIs) verändern können. Letztere inhibieren die Produktion aller Aβ Peptide und binden direkt an die Preseniline. Besonders interessant ist die FAD PS1 Mutation PS1-ΔExon9, eine komplexe Deletionsmutante die die Endoproteolyse von PS1 verhindert und dazu führt, dass Zellen nicht mehr auf GSMs reagieren. Die Experimente in dieser Arbeit zeigen, dass die reduzierte Antwort der PS1-ΔExon9 Mutation auf Behandlung mit GSMs in erster Linie durch das Fehlen der Endoproteolyse verursacht wird. Des weiteren konnten wir zeigen, dass die reduzierte Antwort auf GSMs und GSIs nicht auf die PS1-ΔExon9 Mutation beschränkt ist, sondern dass dieser Effekt unter aggressiven FAD Mutationen weit verbreitet ist. Überraschenderweise konnten wir ebenfalls zeigen dass, obwohl die Aβ42 Reduktion fast vollständig blockiert wurde, wir trotzdem eine Erhöhung der Aβ38 Produktion in den PS1 mutanten Linien feststellen konnten, die sich nicht von der Erhöhung der Aβ38 Produktion der Wildtyplinie unterschied. Zuletzt konnten wir die reduzierte Antwort auf GSMs auch in einem Mausmodell mit transgener Expression einer aggressiven FAD assoziierten PS Mutation bestätigen, ein besonders wirksamer GSI war nicht in der Lage die Aβ42 Mengen im Gehirn dieses Mausmodells zu reduzieren. Zusammengefasst zeigen unsere Ergebnisse eindeutig, dass Aβ42 und Aβ38 unabhängig voneinander produziert werden können und weisen darauf hin, dass das Modell der sequentiellen Produktion der Aβ-Peptide eine zu starke Vereinfachung des molekularen Mechanismus der γ-Sekretase sein könnte. Besonders hervorzuheben ist aber vor allem, dass der genetische Hintergrund bei der Medikamentenentwicklung mit dem Ziel γ-Sekretase eine große Rolle spielt und dass zelluläre sowie Tiermodelle mit transgener Expression aggressiver PS Mutationen Studien über die Wirksamkeit und Potenz von GSMs und GSIs zum Scheitern verurteilen können. Aus diesen Gründen sollten derartige Modelle in der Vorklinischen Entwicklung dieser vielversprechenden Alzheimertherapien nicht verwendet werden.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 10 Biologie
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2205
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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