Der Einfluss bioaktiver Substanzen auf die molekularen Mechanismen der Alzheimer-Erkrankung

Abstract

Bei Morbus Alzheimer handelt es sich um die am häufigsten diagnostizierte Form der Demenz, die auf neuropathologischer Ebene unter anderem durch extrazelluläre Plaques im Hirngewebe, die hauptsächlich aus akkumulierten Amyloid-beta-Peptiden bestehen, gekennzeichnet ist. Amyloid-beta (Abeta) ist das Produkt der sequenziellen amyloidogenen Prozessierung des Amyloid-Vorläuferproteins (APP). Eine starke Assoziation zwischen der Alzheimererkrankung und einer Hypovitaminose des Secosteroids Vitamin D liegt in zahlreichen epidemiologischen Studien begründet, die mild- bis moderat-reduzierte Vitamin D-Spiegel in Alzheimerpatienten im Vergleich zu gesunden Individuen detektierten. Vorausgegangene Arbeiten der Arbeitsgruppe Experimentelle Neurologie konnten belegen, dass eine Vitamin D-Hypovitaminose in Neuroblastomzellen über die Beeinflussung der beta-Sekretase und des Abeta-Abbaus, vor allem der Neprilysin-mediierten Degradation, einen negativen Einfluss auf Prozesse hat, die bei der Alzheimererkrankung eine wichtige Rolle spielen. Eine Vielzahl an Vitamin D-Analoga, die sich in ihrer Affinität zum Vitamin D-Rezeptor, ihrer Serumhalbwertszeit sowie ihrem Effekt auf den Kalziumspiegel unterscheiden, findet therapeutischen Einsatz. Hieraus ergab sich die Fragestellung, ob diese Vitamin D-Analoga einen vergleichbaren Effekt auf die molekularen Mechanismen der Alzheimerpathologie besitzen, wie er für Vitamin D beobachtet wurde. Diese Frage wurde in Analogie zu vorausgegangenen Arbeiten in Neuroblastomzellen untersucht. Es resultierte bezüglich des Gesamteffektes von Vitamin D auf Abeta kein signifikanter Unterschied zwischen Vitamin D und den Analoga. Jedoch konnten für die einzelnen Vitamin D- Analoga unterschiedliche Effektstärken hinsichtlich des Anabolismus und Katabolismus von A detektiert werden. Für Vitamin D und seine Analoga ist ein durch den Vitamin D-Rezeptor mediierter Effekt auf die Genexpression bekannt. Es stellte sich daher die Frage, ob Alzheimer-relevante Gene ebenfalls durch diesen Rezeptor-vermittelten Mechanismus beeinflusst werden. Hierzu wurden insgesamt 117 Gene in murinen Hirnproben analysiert, von denen acht Gene signifikant von einer Hypovitaminose beeinflusst wurden. Von diesen acht Genen waren bereits zwei aus der Literatur bekannt und wurden bewusst als interne Positivkontrollen in die Studie aufgenommen. Interessanterweise waren bei den untersuchten Genen auch Gene des Lipidmetabolismus verändert, woraus sich die Fragestellung ergab, ob eine Vitamin D-Hypovitaminose einen Effekt auf das Lipidom von Neuroblastomzelllinien ausüben kann. Die detektierten Einflüsse veränderten vorzugsweise die Sättigung und Kettenlänge der analysierten Lipide. In vorausgegangenen Studien vermittelte Vitamin D seine Wirkung hauptsächlich über die beta-Sekretase und den Abeta-Katabolismus. Daher sollte in folgenden Experimenten untersucht werden, ob die detektierten Einflüsse einer Hypovitaminose auf die Lipidhomöostase einen Effekt auf die Abeta-Degradation mediieren können. Hierbei zeigte sich, dass insbesondere kurzkettige Fettsäuren die Abeta-Degradation über eine Erhöhung der Expression des Abeta-abbauenden Enzyms Insulin-degradierendes Enzym (IDE) fördern. Gleichzeitig wurde detektiert, dass kurzkettige Fettsäuren die Aktivität von IDE erhöhen. Weiterhin ist in der Literatur beschrieben, dass die beobachteten Veränderungen in der Lipidhomöostase die Aktivität der an der Prozessierung beteiligten Sekretasen beeinflussen können, was durch die Experimentelle Neurologie experimentell bestätigt werden konnte. Auf Grund dessen, dass durch eine Veränderung der Sekretase-Aktivität nicht nur die Produktion von Abeta, sondern auch die der APP- intrazellulären Domäne (AICD) beeinflusst wird, sollte experimentell adressiert werden, ob die Produktion und Aktivität von IDE durch einen veränderten Gehalt an AICD beeinflusst wird. Hieraus würde sich ein Regelkreis ergeben, bei dem die Lipidkomposition sowohl den Abeta- als auch den AICD-Metabolismus beeinflusst und gleichzeitig der AICD-Metabolismus sowohl den Lipidmetabolismus als auch den Abeta-Abbau reguliert (Abbildung 1). Eine ähnliche Regulation wurde bereits für die AICD und Neprilysin beschrieben. In der vorliegenden Arbeit wurde ein ähnlicher Mechanismus für die Regulation von IDE detektiert. Dieser äußerte sich dadurch, dass in Abwesenheit der AICD die Aktivität, der Proteingehalt sowie die Transkription von IDE reduziert waren. Somit konnte auf molekularer Ebene der Mechanismus der IDE-Regulation durch die Prozessierung von APP weiter aufgeklärt werden. In einer abschließenden Fragestellung sollten neben Vitamin D auch andere fettlösliche Vitamine hinsichtlich ihres Einflusses auf Alzheimer-relevante Stoffwechselwege untersucht werden. In diesem Zusammenhang wurde in vorausgegangenen Arbeiten auf die Substanzklasse der E-Vitamine fokussiert. Zudem wurde in der Literatur bereits ein modulierender Effekt von Vitamin A auf die nicht- amyloidogene Prozessierung beschrieben. In Analogie zu Vitamin D sollte in der vorliegenden Arbeit das Vitamin A-Derivat Acitretin, welches unter anderem bei Psoriasis vulgaris therapeutisch eingesetzt wird, untersucht werden. Es stellte sich heraus, dass Acitretin in vivo in der Lage ist die Lipidkomposition im Gehirn und in der Leber zu beeinflussen. Die Veränderungen der Lipidhomöostase in der Leber reflektierten dabei den in der Literatur bekannten negativen Einfluss dieses Vitamin A- Derivates auf die Triglyzeride. Interessanterweise wurden deutliche Unterschiede zwischen den Veränderungen der Lipidhomöostase in Leber- und Hirngewebe detektiert. Hier müssen weitere Arbeiten anknüpfen, um weiterführend zu überprüfen, ob die durch Acitretin veränderte Lipidhomöostase im Gehirn bezüglich der Alzheimererkrankung einen negativen oder positiven Einfluss vermitteln könnte.

Morbus Alzheimer is the most frequent diagnosed form of dementia, characterized at neuropathological level by, among other things, extracellular plaques in brain tissue consisting mainly of accumulated amyloid-peptides. Amyloid-beta (Abeta) is the product of sequential amyloidogenic processing of the amyloid precursor protein (APP). A strong association between Alzheimer´s disease (AD) and hypovitaminosis of the secosteroid vitamin D is based on numerous epidemiological studies that detected mild-to-moderate reduced vitamin D levels in AD patients compared to healthy individuals. Previous work by the Experimental Neurology group has demonstrated, that vitamin D hypovitaminosis in neuroblastoma cells has a negative impact on processes involved in AD via interference with beta-secretase and Abeta degradation, particularly neprilysin-mediated degradation. A variety of vitamin D analogues, which differ in their affinity for the vitamin D receptor, their serum half-life and their effect on calcium levels, are used therapeutically. This raised the question whether these vitamin D analogues have a comparable effect on the molecular mechanisms of AD pathology as observed for vitamin D. This question was investigated in analogy to previous work in neuroblastoma cells. No significant difference between vitamin D and the analogs resulted with respect to the overall effect of vitamin D on Abeta. However, different effect sizes could be detected for the individual vitamin D analogues with respect to the anabolism and catabolism of Abeta. For vitamin D and its analogues, an effect on gene expression mediated by the vitamin D receptor is known. Therefore, the question arose whether AD-related genes are also influenced by this receptor-mediated mechanism. For this purpose, a total of 117 genes were analyzed using murine brain samples, of which eight genes were significantly affected by hypovitaminosis. Of these eight genes, two were already known from the literature and were deliberately included in the study as internal positive controls. Interestingly, genes involved in lipid metabolism were also altered in the genes examined, raising the question of whether vitamin D hypovitaminosis can exert an effect on the lipidome of neuroblastoma cell lines. The detected influences preferentially altered the saturation and chain length of the analyzed lipids. In previous studies, vitamin D mediated its effect mainly through beta-secretase and Abeta catabolism. Therefore, the following experiments were designed to investigate whether the detected influences of hypovitaminosis on lipid homeostasis could mediate an effect on Abeta degradation. Here, short-chain fatty acids were found to promote Abeta degradation via an increase in the expression of the Abeta degrading enzyme insulin-degrading enzyme (IDE). At the same time, short-chain fatty acids were detected to increase the activity of IDE. Furthermore, it is described that the observed changes in lipid homeostasis can influence the activity of secretases involved in processing, which could be confirmed experimentally by the Experimental Neurology. Since not only the production of Abeta but also the production of the APP-intracellular domain (AICD) is affected by a change in secretase activity, it should be addressed experimentally whether the production and activity of IDE is influenced by a changed content of AICD. This would result in a regulatory loop in which lipid composition influences both Abeta and AICD metabolism and, at the same time, AICD metabolism regulates both lipid metabolism and Abeta degradation (figure 2). Similar regulation has been described previously for AICD and neprilysin. In the present work, a similar mechanism was detected for the regulation of IDE. This was manifested by the fact that in the absence of AICD, the activity, protein level and the transcription of IDE were reduced. Thus, at the molecular level, the mechanism of IDE regulation by processing APP could be further elucidated. In a final question, in addition to vitamin D, other fat-soluble vitamins were to be investigated regarding their influence on metabolic pathways relevant to AD. In this context, previous work has focused on the substance class of E vitamins. Moreover, a modulating effect of vitamin A on non-amyloidogenic processing has already been described in the literature. In analogy to vitamin D, the vitamin A derivative acitretin, which is used therapeutically for psoriasis vulgaris, among other things, was to be investigated in the present work. It turned out that acitretin can influence the lipid composition in the brain and liver in vivo. In this regard, the changes in lipid homeostasis in the liver reflected the negative influence of this vitamin A derivative on triglycerides known in the literature. Interestingly, significant differences were detected between the changes in lipid homeostasis in liver and brain tissue. Further work is needed to investigate whether the altered lipid homeostasis in the brain due to acitretin could mediate a negative or positive influence on AD.