Amyloid beta - Amyloid beta
| Amyloid beta-peptid (beta-APP) | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 En delvist foldet struktur af amyloid beta (1 40) i et vandigt miljø (pdb 2lfm)
| |||||||||
| Identifikatorer | |||||||||
| Symbol | APP | ||||||||
| Pfam | PF03494 | ||||||||
| InterPro | IPR013803 | ||||||||
| SCOP2 | 2lfm / SCOPe / SUPFAM | ||||||||
| TCDB | 1.C.50 | ||||||||
| OPM superfamilie | 304 | ||||||||
| OPM -protein | 2y3k | ||||||||
| Membranome | 45 | ||||||||
| |||||||||
| amyloid beta (A4) prækursorprotein (peptidase nexin-II, Alzheimers sygdom) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Behandling af amyloid -precursorproteinet
| |||||||
| Identifikatorer | |||||||
| Symbol | APP | ||||||
| Alt. symboler | AD1 | ||||||
| NCBI -gen | 351 | ||||||
| HGNC | 620 | ||||||
| OMIM | 104760 | ||||||
| RefSeq | NM_000484 | ||||||
| UniProt | P05067 | ||||||
| Andre data | |||||||
| Locus | Chr. 21 q21.2 | ||||||
| |||||||
Amyloid beta ( Aβ eller Abeta ) betegner peptider med 36–43 aminosyrer, der er hovedkomponenten i amyloidpladerne, der findes i hjernen hos mennesker med Alzheimers sygdom . Peptiderne stammer fra amyloid -precursorproteinet (APP), som spaltes af beta -sekretase og gammasekretase for at give Aβ i en kolesterolafhængig proces og substratpræsentation . Aβ -molekyler kan aggregeres for at danne fleksible opløselige oligomerer, som kan eksistere i flere former. Det menes nu, at visse fejlfoldede oligomerer (kendt som "frø") kan få andre Aβ -molekyler til også at tage den fejlfoldede oligomere form, hvilket fører til en kædereaktion, der ligner en prioninfektion . Oligomerer er giftige for nerveceller . Det andet protein, der er impliceret i Alzheimers sygdom, tau-protein , danner også sådanne prionlignende fejlfoldede oligomerer, og der er nogle tegn på, at forkert foldet Aβ kan få tau til at misfoldes.
En undersøgelse har antydet, at APP og dets amyloidpotentiale er af gammel oprindelse, der går helt tilbage til tidlige deuterostomer .
Normal funktion
Den normale funktion af Aβ er ikke godt forstået. Selvom nogle dyreforsøg har vist, at fraværet af Ap ikke fører til nogen indlysende tab af fysiologisk funktion, har flere mulige aktiviteter blevet opdaget for Ap, herunder aktivering af kinase enzymer , beskyttelse mod oxidativ stress , regulering af cholesterol transport, fungerer som en transkriptionsfaktor og antimikrobiel aktivitet (potentielt forbundet med Aβ's proinflammatoriske aktivitet).
Det glymfatiske system rydder metabolisk affald fra pattedyrhjernen, og især amyloid beta. Faktisk er en række proteaser blevet impliceret af både genetiske og biokemiske undersøgelser som ansvarlige for anerkendelse og nedbrydning af amyloid beta; disse omfatter insulin -nedbrydende enzym. og presequence protease Fjernelseshastigheden øges betydeligt under søvn. Imidlertid er lymfesystemets betydning for Aβ -clearance ved Alzheimers sygdom ukendt.
Sygdomsforeninger
Aβ er hovedkomponenten i amyloidplakker , ekstracellulære aflejringer, der findes i hjernen hos mennesker med Alzheimers sygdom. Aβ kan også danne de aflejringer, der fører cerebrale blodkar til cerebral amyloid angiopati . Pladerne er sammensat af et virvar af Aβ -oligomerer og regelmæssigt ordnede aggregater kaldet amyloidfibriller , en proteinfold, der deles af andre peptider, såsom prioner forbundet med proteinfejlfældningssygdomme.
Alzheimers sygdom
Forskning tyder på, at opløselige oligomere former af peptidet kan være forårsagende i udviklingen af Alzheimers sygdom. Det antages generelt, at Aβ -oligomerer er de mest giftige. De ionkanal hypotese postulerer, at oligomerer af opløselige, ikke-fibrillære Ap formular membran ionkanaler tillader ureguleret calcium indstrømning i neuroner, der ligger til grund forstyrrede calciumion homeostase og apoptose set i Alzheimers sygdom. Beregningsundersøgelser har vist, at også Aβ -peptider, der er indlejret i membranen som monomerer med dominerende spiralformet konfiguration, kan oligomerisere og til sidst danne kanaler, hvis stabilitet og konformation følsomt er korreleret med den samtidige tilstedeværelse og arrangement af kolesterol. En række genetiske, cellebiologiske, biokemiske og dyreforsøg understøtter konceptet om, at Aβ spiller en central rolle i udviklingen af Alzheimers sygdomspatologi.
Hjerne Aβ er forhøjet hos mennesker med sporadisk Alzheimers sygdom. Ap er hovedbestanddelen af hjerne parenchymale og vaskulær amyloid; det bidrager til cerebrovaskulære læsioner og er neurotoksisk. Det er uløst, hvordan Aβ akkumuleres i centralnervesystemet og efterfølgende initierer sygdom i celler. Nogle forskere har fundet ud af, at Aβ -oligomerer fremkalder nogle af symptomerne på Alzheimers sygdom ved at konkurrere med insulin om bindingssteder på insulinreceptoren og dermed forringe glukosemetabolismen i hjernen. Væsentlig indsats har været fokuseret på de mekanismer, der er ansvarlige for Aβ-produktion, herunder de proteolytiske enzymer gamma- og β-sekretaser, der genererer Aβ fra dets forstadieprotein, APP (amyloid-precursorprotein). Aβ cirkulerer i plasma, cerebrospinalvæske (CSF) og hjerneinterstitiel væske (ISF) hovedsageligt som opløselige Aβ40 Amyloid -plaques indeholder både Aβ40 og Aβ42, mens vaskulær amyloid overvejende er den kortere Aβ40. Flere sekvenser af Aβ blev fundet i begge læsioner. Generering af Aβ i centralnervesystemet kan finde sted i de neuronale axonale membraner efter APP-medieret axonal transport af β-sekretase og presenilin-1.
Stigninger i enten totale Aβ -niveauer eller den relative koncentration af både Aβ40 og Aβ42 (hvor førstnævnte er mere koncentreret i cerebrovaskulære plaques og sidstnævnte i neuritiske plaques) har været impliceret i patogenesen af både familiær og sporadisk Alzheimers sygdom. På grund af sin mere hydrofobe natur er Aβ42 den mest amyloidogene form af peptidet. Den centrale sekvens KLVFFAE vides imidlertid at danne amyloid alene og danner sandsynligvis kernen i fibrillen. En undersøgelse korrelerede yderligere Aβ42-niveauer i hjernen ikke kun med begyndelsen af Alzheimers sygdom, men også reduceret cerebrospinalvæsketryk, hvilket tyder på, at en ophobning eller manglende evne til at rydde Aβ42-fragmenter kan spille en rolle i patologien.
" Amyloidhypotesen ", om at plaketterne er ansvarlige for patologien ved Alzheimers sygdom, accepteres af flertallet af forskere, men er ikke endegyldigt fastslået. En alternativ hypotese er, at amyloide oligomerer frem for plaque er ansvarlige for sygdommen. Mus, der er genetisk manipuleret til at udtrykke oligomerer, men ikke plak (APP E693Q ) udvikler sygdommen. Desuden er mus, der desuden er konstrueret til at omdanne oligomerer til plak (APP E693Q X PS1 ΔE9), ikke mere forringet end kun oligomeren mus. Intra-cellulære aflejringer af tau-protein ses også i sygdommen og kan også være impliceret, ligesom aggregering af alfa-synuclein .
Kræft
Selvom Aβ har været impliceret i kræftudvikling , hvilket får undersøgelser om en række kræftformer til at belyse arten af dets mulige virkninger, er resultaterne stort set ufuldstændige. Aβ -niveauer er blevet vurderet i forhold til en række kræftformer, herunder spiserør , kolorektal , lunge og lever , som reaktion på observerede reduktioner i risikoen for at udvikle Alzheimers sygdom hos overlevende af disse kræftformer. Alle kræftformer viste sig at være positivt forbundet med øgede Aβ -niveauer, især leverkræft. Denne foreningsretning er imidlertid endnu ikke fastlagt. Undersøgelser med fokus på humane brystkræftcellelinjer har yderligere vist, at disse kræftceller viser et øget ekspressionsniveau af amyloid -precursorprotein.
Downs syndrom
Voksne med Downs syndrom havde akkumulering af amyloid i forbindelse med tegn på Alzheimers sygdom, herunder fald i kognitiv funktion, hukommelse, fine motoriske bevægelser, udøvende funktion og visuospatiale færdigheder.
Dannelse
Aβ dannes efter sekventiel spaltning af amyloid -precursorproteinet (APP), et transmembrant glycoprotein med ubestemt funktion. APP kan spaltes af de proteolytiske enzymer a- , β- og y-sekretase ; Aβ -protein genereres ved successiv virkning af β- og γ -sekretaserne. Y-sekretasen, som producerer den C-terminale ende af Aβ-peptidet, spalter inden for transmembranområdet i APP og kan generere et antal isoformer med en længde på 30-51 aminosyrerester . De mest almindelige isoformer er Aβ 40 og Aβ 42 ; den længere form produceres typisk ved spaltning, der forekommer i det endoplasmatiske retikulum , mens den kortere form produceres ved spaltning i trans- Golgi- netværket.
Genetik
Autosomalt dominerende mutationer i APP forårsager arvelig tidlig Alzheimers sygdom (familiær AD, fAD). Denne form for AD tegner sig for ikke mere end 10% af alle tilfælde, og langt størstedelen af AD ledsages ikke af sådanne mutationer. Familiær Alzheimers sygdom skyldes imidlertid sandsynligvis ændret proteolytisk behandling. Dette fremgår af det faktum, at mange mutationer, der fører til fAD, forekommer nær γ-sekretasespaltningssteder på APP. En af de mest almindelige mutationer, der forårsager fAD, London Mutation , forekommer ved codon 717 i APP -genet og resulterer i en valin til isoleucin aminosyresubstitution. Histokemisk analyse af APP V717I-mutationen har afsløret omfattende Aβ-patologi i hele neuroaxis samt udbredt cerebral amyloid angiopati (CAA).
Genet til amyloidprækursorproteinet er placeret på kromosom 21 , og derfor har mennesker med Downs syndrom en meget høj forekomst af Alzheimers sygdom.
Struktur og toksicitet
Amyloid beta menes almindeligvis at være iboende ustruktureret , hvilket betyder, at den i løsning ikke erhverver en unik tertiær fold, men snarere befolker et sæt strukturer. Som sådan kan den ikke krystalliseres, og den mest strukturelle viden om amyloid beta kommer fra NMR og molekylær dynamik . Tidlige NMR-afledte modeller af et 26-aminosyrepolypeptid fra amyloid beta (Aβ 10-35) viser en kollapset spolestruktur uden signifikant sekundært strukturindhold . Den seneste (2012) NMR-struktur for (Aβ 1-40) har imidlertid en signifikant sekundær og tertiær struktur. Replika -udvekslingsmolekylære dynamikundersøgelser antydede, at amyloid beta faktisk kan udfylde flere diskrete strukturtilstande; nyere undersøgelser identificerede en mangfoldighed af diskrete konformationelle klynger ved statistisk analyse. Ved NMR-guidede simuleringer synes amyloid beta 1-40 og amyloid beta 1-42 også at have meget forskellige konformationstilstande, idet C-terminalen for amyloid beta 1-42 er mere struktureret end 1-40-fragmentets.
Lavtemperatur- og saltfattige betingelser tillod at isolere pentameriske skiveformede oligomerer uden betastruktur. I modsætning hertil synes opløselige oligomerer fremstillet i nærvær af detergenter at have et betydeligt beta -arkindhold med blandet parallel og antiparallel karakter, forskellig fra fibriller; beregningsundersøgelser tyder på et antiparallelt beta-turn-beta-motiv i stedet for membranindlejrede oligomerer.
De foreslåede mekanismer, hvormed amyloid beta kan beskadige og forårsage neuronal død, omfatter dannelse af reaktive iltarter under selve selvaggregeringsprocessen. Når dette sker på membranen af neuroner in vitro, forårsager det lipidperoxidation og dannelsen af et giftigt aldehyd kaldet 4-hydroxynonenal, hvilket igen forringer funktionen af ionmotive ATPaser, glukosetransportører og glutamattransportører . Som et resultat fremmer amyloid beta depolarisering af den synaptiske membran, overdreven calciumtilstrømning og mitokondriel svækkelse. Aggregationer af amyloid-beta-peptidet forstyrrer membraner in vitro.
Interventionsstrategier
Forskere i Alzheimers sygdom har identificeret flere strategier som mulige interventioner mod amyloid:
- β-Secretase- hæmmere . Disse arbejder for at blokere den første spaltning af APP inde i cellen, ved det endoplasmatiske retikulum.
- γ-Secretase- hæmmere (f.eks. semagacestat ). Disse arbejder for at blokere den anden spaltning af APP i cellemembranen og ville derefter stoppe den efterfølgende dannelse af Aβ og dens toksiske fragmenter.
- Selektive Aβ 42 sænkemidler (f.eks. Tarenflurbil ). Disse modulerer y-sekretase for at reducere Aβ 42- produktionen til fordel for andre (kortere) Aβ-versioner.
β- og γ-sekretase er ansvarlige for dannelsen af Aβ fra frigivelsen af det intracellulære domæne af APP, hvilket betyder, at forbindelser, der delvist kan hæmme aktiviteten af enten β- eller γ-sekretase, er meget eftertragtede. For at starte delvis inhibering af β- og γ-sekretase er der brug for en forbindelse, der kan blokere det store aktive sted for aspartylproteaser, mens den stadig er i stand til at omgå blod-hjerne-barrieren. Hidtil er menneskelige test blevet undgået på grund af bekymring for, at det kan forstyrre signalering via Notch -proteiner og andre celleoverfladereceptorer.
- Immunterapi . Dette stimulerer værtsimmunsystemet til at genkende og angribe Aβ eller tilvejebringe antistoffer, der enten forhindrer plakaflejring eller øger clearance af plaques eller Aβ -oligomerer. Oligomerisering er en kemisk proces, der omdanner individuelle molekyler til en kæde bestående af et begrænset antal molekyler. Forebyggelse af oligomerisering af Aβ har været eksemplificeret ved aktiv eller passiv Aβ -immunisering. I denne proces bruges antistoffer mod Aβ til at reducere cerebral plaque -niveauer. Dette opnås ved at fremme mikroglial clearance og/eller omfordele peptidet fra hjernen til systemisk cirkulation. Antistoffer, der er målrettet mod Aβ, der i øjeblikket er i kliniske forsøg, omfattede aducanumab , bapineuzumab , crenezumab , gantenerumab og solanezumab . Amyloid beta-vacciner, der i øjeblikket er i kliniske forsøg, omfatter CAD106 og UB-311 . Litteraturanmeldelser har imidlertid rejst spørgsmål om immunterapiens samlede effekt. En sådan undersøgelse, der vurderede ti anti-Ab42-antistoffer, viste minimal kognitiv beskyttelse og resultater inden for hvert forsøg, da symptomerne var for langt fremme på tidspunktet for anvendelse til at være nyttige. Yderligere udvikling er stadig påkrævet for anvendelse til dem, der er presymptomatiske for at vurdere deres effektivitet tidligt i sygdomsprogressionen.
- Anti-aggregeringsmidler, såsom apomorphin eller carbenoxolon . Sidstnævnte har almindeligvis været brugt som behandling af mavesår, men viser også neurobeskyttende egenskaber, der viser sig at forbedre kognitive funktioner såsom verbal flydende og hukommelseskonsolidering. Ved at binde med høj affinitet til Aβ42 -fragmenter, primært via hydrogenbinding, fanger carbenoxolon peptiderne, før de kan aggregeres sammen, hvilket gør dem inaktive samt destabiliserer de allerede dannede aggregater, hvilket hjælper med at rydde dem. Dette er en almindelig virkningsmekanisme for anti-aggregeringsmidler som helhed.
- Undersøgelser, der sammenligner syntetisk med rekombinant Aβ 42 i assays, der måler fibrillationshastighed, fibril homogenitet og celletoksicitet, viste, at rekombinant Aβ 42 havde en hurtigere fibrillationshastighed og større toksicitet end syntetisk amyloid beta 1-42 peptid.
- Modulering af kolesterolhomeostase har givet resultater, der viser, at kronisk brug af kolesterolsænkende lægemidler, såsom statiner, er forbundet med en lavere forekomst af AD. I genetisk modificerede APP-mus har kolesterolsænkende lægemidler vist sig at reducere den samlede patologi. Mens mekanismen er dårligt forstået, ser det ud til, at kolesterolsænkende lægemidler har en direkte effekt på APP-behandling.
- Memantine er et lægemiddel mod Alzheimers sygdom, som har modtaget udbredt godkendelse. Det er en ikke-konkurrencedygtig N-methyl-D-aspartat ( NMDA ) kanalblokker. Ved at binde til NMDA -receptoren med en højere affinitet end Mg2+ -ioner er memantin i stand til at hæmme den langvarige tilstrømning af Ca2+ -ioner, især fra ekstrasynaptiske receptorer, som danner grundlaget for neuronal excitotoksicitet. Det er en mulighed for behandling af personer med moderat til svær Alzheimers sygdom (beskeden effekt). Undersøgelsen viste, at 20 mg/dag forbedrede kognition, funktionsevne og adfærdsmæssige symptomer.
- Norvaline er et kandidatlægemiddel til behandling af Alzheimers sygdom. Det er en arginasehæmmer , der let krydser blod -hjerne -barrieren og reducerer arginintab i hjernen. Amyloid beta-aflejring er forbundet med L-arginin-afsavn og neurodegeneration. Mus behandlet med Norvaline viser forbedret rumlig hukommelse, øget neuroplasticitetsrelaterede proteiner og fald i amyloid beta.
Måling af amyloid beta
Billeddannelsesforbindelser, især Pittsburgh-forbindelse B , (6-OH-BTA-1, et thioflavin ) kan selektivt binde til amyloid beta in vitro og in vivo. Denne teknik, kombineret med PET -billeddannelse, bruges til at afbilde områder med plakaflejringer hos dem med Alzheimers.
Post mortem eller i vævsbiopsier
Amyloid beta kan måles semikvantitativt med immunfarvning , hvilket også giver mulighed for at bestemme placering. Amyloid beta kan primært være vaskulær, som ved cerebral amyloid angiopati eller i amyloid plaques i hvidt stof .
En følsom metode er ELISA, som er et immunosorbentassay, der anvender et par antistoffer, der genkender amyloid beta.
Atomkraftmikroskopi , som kan visualisere nanoskala molekylære overflader, kan bruges til at bestemme aggregeringstilstanden for amyloid beta in vitro.
Vibrationsmikrospektroskopi er en etiketfri metode, der måler vibrationer af molekyler i vævsprøver. Amyloidproteiner som Aβ kan påvises med denne teknik på grund af deres høje indhold af β-arkstrukturer. For nylig blev dannelsen af Aβ -fibriller løst i forskellige plak -typer ved Alzheimers sygdom , hvilket indikerer, at plaques passerer forskellige stadier i deres udvikling.
Dobbelt polarisationsinterferometri er en optisk teknik, der kan måle tidlige faser af aggregering ved at måle molekylær størrelse og densitet, når fibrillerne forlænges. Disse samlede processer kan også studeres på lipid -dobbeltlagskonstruktioner.