Biologie

Kurzlebenslauf

Carsten Rupp - Diplom-Biologe

FB Biologie, Humanbiologie und Humangenetik; AG Kins, TU Kaiserslautern
Erwin-Schrödinger-Straße
67663 Kaiserslautern

Tel.: +49 (0)631 205 4724
rupp@nar.uni-heidelberg.de

Fellows: Prof. Dr. Stefan Kins

Die pathophysiologische Funktion von APP bei der Alzheimer-Krankheit

Ein großer Teil der neurodegenerativen Fehlsteuerungen wird durch neuronale Schädigungen charakterisiert, verursacht durch toxische, aggregatbildende Proteine (Taylor et al., 2002). Typische neurodegenerative Erkrankungen im Zusammenhang mit Proteinaggregation sind z.B.: die Parkinsonsche Krankheit, Amyotrophe Lateralsklerose, Trinukleotiderkrankungen wie Huntington, Prionkrankheiten wie die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit, frontotemporale Demenz und die Alzheimersche Erkrankung (AD), welche die häufigste Form der Demenz bei Älteren darstellt. Bei all diesen Erkrankungen können charakteristische Ablagerungen von Proteinaggregaten (Review siehe (Ross and Poirier, 2005)) im Hirn nachgewiesen werden, welche entweder cytoplasmatisch, nukleär oder extrazellulär lokalisiert sind. Die bedeutendste Entdeckung für die molekulare Biologie in der AD-Forschung bezog sich auf die Identifikation des Hauptbestandteils der amyloiden Plaques. Er setzt sich hauptsächlich aus Amyloidfibrillen zusammen, welche aus hochgradig unlösliche Aggregationen eines 40-42 Aminosäuren großen Fragmentes bestehen (genannt: Aβ40-42), das wiederum vom Amyloid-Vorläuferprotein APP herrührt (Glenner and Wong, 1984; Masters et al., 1985). Zahlreiche Studien entdeckten neben Aβ42 und Aβ40 die verschiedensten physikalischen Formen von löslichem Aβ, darunter kürzere sowie längere Fragmente, welche toxisch auf Neurone wirken und Apoptose induzieren. (Review siehe (Cleary et al., 2005; Walsh et al., 2005)). Obwohl einige Forscher glauben, dass es sich beim oligomeren Aβ42 um das entscheidende Fragment handelt, welches AD verursacht (Selkoe, 2002b), ist es immer noch unklar, welche physikalische Form von Aβ für die Pathologie im AD-Prozess verantwortlich ist. Daher ist der präzise molekulare Mechanismus hinter der AD unbekannt.

APP ist ein ubiquitär exprimiertes Typ I Transmembranprotein mit einer großen Ektodomäne und einem kurzen cytoplasmatischen C-Terminus (Kang et al., 1987). Das entsprechende Gen ist Teil einer großen Multigenfamilie. In Säugern konnten zwei Paraloge von APP identifiziert werden, welche als Amyloid-Vorläuferprotein ähnliche Proteine bezeichnet werden (APLP1 und APLP2) (Paliga et al., 1997; Wasco et al., 1993; Wasco et al., 1992). Alle APP-Homologe teilen sich sehr hohe Sequenzübereinstimmung und Proteindomänenorganisation mit APP (Bayer et al., 1999; Coulson et al., 2000).

Die wichtigsten Proteasen bei der APP Spaltung sind α-, β- und γ-Sekretasen, welche sowohl unter physiologischen als auch pathologischen Bedingungen schneiden (Haass et al., 1992; Seubert et al., 1993). Im amyloidogenen Weg wird APP durch die β-Sekretase BACE1 (β-site APP cleaving enzyme 1) (Hussain et al., 1999; Sinha et al., 1999; Vassar et al., 1999; Yan et al., 1999) prozessiert, was zur Freisetzung der löslichen β-geschnittenen Ektodomaine führt. Anschließend schneidet die γ-Sekretase den verbleibenden C-Terminus von APP (β-CTF, C99) in der Transmembrandomäne (Weidemann et al., 2002), wodurch das Aβ-Peptid bei Valin₄₀ oder Alanin₄₂ (nummeriert nach C99) und die Intrazelluläre Domäne (AICD) freigesetzt wird. Ob APP zuerst durch die α- oder β-Sekretase prozessiert wird, ist stark mit der subzellulären Lokalisation verbunden. Neben dem Golgi-Apparat ist die Plasmamembran einer der beiden Hauptorte der α-Sekretase-Aktivität (Lammich et al., 1999; Skovronsky et al., 2000). Da BACE1 jedoch bei einem leicht sauren pH-Wert von 4,5 am aktivsten ist, findet die APP β-Spaltung am wahrscheinlichsten in den Endosomen statt. Darüber hinaus wurde eine Zirkulation von BACE1 zwischen der Zelloberfläche und den Endosomen beschrieben (Huse et al., 2000). Während die APP-Prozessierung im sekretorischen Weg kontrovers diskutiert wird, ist man sich über die Bedeutsamkeit der Internalisierung und der Verteilung von APP über den sekretorischen Weg als wichtigen Bestandteil der Proteolyse sicher (Koo and Squazzo, 1994; LeBlanc and Gambetti, 1994; Perez et al., 1999). Das bemerkenswerteste Merkmal der kurzen intrazellulären Domäne aller drei APP-Familienmitglieder ist eine gemeinsame hoch konservierte YENPTY-Sequenz. Für diese Sequenz wurde eine essenzielle Rolle in der effizienten Clathrin vermittelten Endocytose von APP beschrieben (Koo and Squazzo, 1994; Perez et al., 1999, Lai et al., 1995). Des Weiteren wird das YENPTY-Motif für die Bindung von verschiedenen intrazellulären Schlüsselproteinen benötigt. Zusätzlich zum YENPTY-Motif wurde ein basolaterales Sortierungssignal (BaSS) in der juxtamembranösen Region von AICD identifiziert (Haass et al., 1995). Das BaSS wurde in Epithelzellen als essentiell für die normale Verteilung von APP-Holoproteinen zur basolateralen Oberfläche beschrieben (Haass et al., 1995; Lai et al., 1998; Lai et al., 1995; Tienari et al., 1996). BaSS ist ebenfalls in der APP-Endocytose involviert (Lai et al., 1995).

Ziel der Doktorarbeit ist es, die Funktionalität der postulierten Verteilungssignale in Zusammenhang mit der APP Sortierung und Endocytose herauszuarbeiten. Zu diesem Zweck werden APP-, APLP1- und APLP2-Mutanten, welchen entsprechende Sequenzbereiche fehlen, hergestellt und auf die subzelluläre Lokalisation im Zellkulturmodell untersucht. Um die Rolle der vermeintlichen Verteilungssignale für die APP-Endocytose näher zu beleuchten, wird sich einem Antikörper-uptake-Assay bedient. Wir hoffen, durch ein besseres Verständnis der Verteilung und Endocytose von APP potenzielle Angriffsflächen zu entdecken, welche eine pharmakologische Behandlung der Alzheimerschen Erkrankung ermöglichen.

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