Amyloid beta - Amyloid beta
| Amyloid beta-peptid (beta-APP) | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 En delvis brettet struktur av amyloid beta (1 40) i et vandig 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) forløperprotein (peptidase nexin-II, Alzheimers sykdom) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Behandling av amyloidforløperproteinet
| |||||||
| Identifikatorer | |||||||
| Symbol | APP | ||||||
| Alt. symboler | AD1 | ||||||
| NCBI -gen | 351 | ||||||
| HGNC | 620 | ||||||
| OMIM | 104760 | ||||||
| RefSeq | NM_000484 | ||||||
| UniProt | P05067 | ||||||
| Andre data | |||||||
| Lokus | Chr. 21 q21.2 | ||||||
| |||||||
Amyloid beta ( Aβ eller Abeta ) betegner peptider med 36–43 aminosyrer som er hovedkomponenten i amyloidplakkene som finnes i hjernen til mennesker med Alzheimers sykdom . Peptidene stammer fra amyloidforløperproteinet (APP), som spaltes av betasekretase og gammasekretase for å gi Aβ i en kolesterolavhengig prosess og substratpresentasjon . Aβ -molekyler kan aggregere for å danne fleksible oppløselige oligomerer som kan eksistere i flere former. Det antas nå at visse feilfoldede oligomerer (kjent som "frø") kan få andre Aβ -molekyler til også å ta den feilfoldede oligomere formen, noe som fører til en kjedereaksjon som ligner en prioninfeksjon . Oligomerer er giftige for nerveceller . Det andre proteinet som er involvert i Alzheimers sykdom, tau-protein , danner også slike prionlignende feilfoldede oligomerer, og det er noen bevis på at feilfoldet Aβ kan få tau til å misfoldes.
En studie har antydet at APP og dets amyloidpotensial er av gammel opprinnelse, og dateres helt tilbake til tidlige deuterostomer .
Normal funksjon
Den normale funksjonen til Aβ er ikke godt forstått. Selv om noen dyrestudier har vist at fravær av Ap ikke fører til noen åpenbar tap av fysiologisk funksjon, har flere potensielle aktiviteter blitt oppdaget for Ap, inkludert aktivering av kinase -enzymer , beskyttelse mot oksidativt stress , regulering av kolesteroltransport, som virker som en transkripsjonsfaktor og antimikrobiell aktivitet (potensielt assosiert med Aβs proinflammatoriske aktivitet).
Det glymfatiske systemet fjerner metabolsk avfall fra pattedyrhjernen, og spesielt amyloid beta. Faktisk har en rekke proteaser blitt implisert av både genetiske og biokjemiske studier som ansvarlige for gjenkjenning og nedbrytning av amyloid beta; disse inkluderer insulin -nedbrytende enzym. og presequence protease Fjerningshastigheten økes betydelig under søvn. Imidlertid er betydningen av lymfesystemet for Aβ -clearance ved Alzheimers sykdom ukjent.
Sykdomsforeninger
Aβ er hovedkomponenten i amyloidplakk , ekstracellulære forekomster som finnes i hjernen til mennesker med Alzheimers sykdom. Aβ kan også danne avsetningene som leder cerebrale blodkar i cerebral amyloid angiopati . Plakkene består av en floke av Aβ -oligomerer og regelmessig bestilte aggregater som kalles amyloidfibriller , en proteinfold som deles av andre peptider, for eksempel prionene som er forbundet med proteinfeilfoldingssykdommer.
Alzheimers sykdom
Forskning tyder på at oppløselige oligomere former av peptidet kan være forårsakende midler i utviklingen av Alzheimers sykdom. Det antas generelt at Aβ -oligomerer er de mest giftige. De ionekanal hypotese postulerer at oligomerer av oppløselige, ikke-fibrillære Ap-formen membran ionekanaler som tillater den uregulerte kalsiuminnstrømning i nerveceller som ligger til grunn forstyrret kalsiumion homeostase og apoptose man ser i Alzheimers sykdom. Beregningsstudier har vist at også Aβ -peptider som er innebygd i membranen som monomerer med dominerende spiralformet konfigurasjon, kan oligomerisere og til slutt danne kanaler hvis stabilitet og konformasjon er følsomt korrelert med samtidig tilstedeværelse og arrangement av kolesterol. En rekke genetiske, cellebiologiske, biokjemiske og dyreforsøk støtter konseptet om at Aβ spiller en sentral rolle i utviklingen av Alzheimers sykdomspatologi.
Hjerne Aβ er forhøyet hos mennesker med sporadisk Alzheimers sykdom. Aβ er hovedbestanddelen i parenkymal og vaskulær amyloid i hjernen ; det bidrar til cerebrovaskulære lesjoner og er nevrotoksisk. Det er uløst hvordan Aβ akkumuleres i sentralnervesystemet og deretter initierer sykdommen i celler. Noen forskere har funnet ut at Aβ -oligomerer forårsaker noen av symptomene på Alzheimers sykdom ved å konkurrere med insulin om bindingssteder på insulinreseptoren, og dermed svekke glukosemetabolismen i hjernen. Betydelig innsats har vært fokusert på mekanismene som er ansvarlige for Aβ-produksjon, inkludert de proteolytiske enzymene gamma- og β-sekretaser som genererer Aβ fra dets forløperprotein, APP (amyloid-forløperprotein). Aβ sirkulerer i plasma, cerebrospinalvæske (CSF) og hjerneinterstisjonsvæske (ISF) hovedsakelig som løselig Aβ40 Amyloid -plakk inneholder både Aβ40 og Aβ42, mens vaskulær amyloid hovedsakelig er den kortere Aβ40. Flere sekvenser av Aβ ble funnet i begge lesjonene. Generering av Aβ i sentralnervesystemet kan skje i de neuronale aksonale membranene etter APP-mediert aksonal transport av β-sekretase og presenilin-1.
Økninger i enten totalt Aβ -nivå eller den relative konsentrasjonen av både Aβ40 og Aβ42 (hvor førstnevnte er mer konsentrert i cerebrovaskulære plakk og sistnevnte i nevritiske plakk) har vært implisert i patogenesen av både familiær og sporadisk Alzheimers sykdom. På grunn av sin mer hydrofobe natur, er Aβ42 den mest amyloidogene formen av peptidet. Imidlertid er den sentrale sekvensen KLVFFAE kjent for å danne amyloid alene, og danner sannsynligvis kjernen i fibrillen. En studie korrelerte videre Aβ42-nivåer i hjernen ikke bare med begynnelsen av Alzheimers sykdom, men også redusert cerebrospinalvæsketrykk, noe som tyder på at en opphopning eller manglende evne til å fjerne Aβ42-fragmenter kan spille en rolle i patologien.
" Amyloidhypotesen ", om at plakettene er ansvarlige for patologien ved Alzheimers sykdom, godtas av flertallet av forskerne, men er ikke avgjort. En alternativ hypotese er at amyloide oligomerer i stedet for plakk er ansvarlige for sykdommen. Mus som er genetisk konstruert for å uttrykke oligomerer, men ikke plakk (APP E693Q ) utvikler sykdommen. Mus som i tillegg er konstruert for å konvertere oligomerer til plaketter (APP E693Q X PS1 ΔE9), er ikke mer svekket enn bare oligomeren. Intra-cellulære forekomster av tau-protein er også sett i sykdommen, og kan også være implisert, som har aggregering av alfa-synuclein .
Kreft
Selv om Aβ har vært involvert i kreftutvikling , noe som førte til studier av en rekke kreftformer for å belyse arten av dens mulige effekter, er resultatene i stor grad ufattelige. Aβ -nivåer har blitt vurdert i forhold til en rekke kreftformer, inkludert esophageal , colorectal , lung og hepatic , som respons på observerte reduksjoner i risiko for å utvikle Alzheimers sykdom hos overlevende av disse kreftene. Alle kreftformer ble vist å være positivt assosiert med økte Aβ -nivåer, spesielt leverkreft. Denne foreningsretningen er imidlertid ennå ikke etablert. Studier med fokus på humane brystkreftcellelinjer har videre vist at disse kreftcellene viser et økt ekspresjonsnivå av amyloidforløperprotein.
Downs syndrom
Voksne med Downs syndrom hadde akkumulering av amyloid i forbindelse med tegn på Alzheimers sykdom, inkludert nedgang i kognitiv funksjon, hukommelse, fine motoriske bevegelser, utøvende funksjon og visuospatiale ferdigheter.
Formasjon
Aβ dannes etter sekvensiell spaltning av amyloidforløperproteinet (APP), et transmembrant glykoprotein med ubestemt funksjon. APP kan spaltes av de proteolytiske enzymer a- , β- og γ-sekretase ; Aβ -protein genereres ved påfølgende virkning av β- og γ -sekretasene. Y-sekretasen, som produserer den C-terminale enden av Aβ-peptidet, klyver i transmembraneområdet til APP og kan generere et antall isoformer med 30-51 aminosyrerester i lengde. De vanligste isoformene er Aβ 40 og Aβ 42 ; den lengre formen produseres vanligvis ved spaltning som oppstår i det endoplasmatiske retikulum , mens den kortere formen produseres ved spaltning i trans- Golgi- nettverket.
Genetikk
Autosomaldominante mutasjoner i APP forårsaker arvelig tidlig Alzheimers sykdom (familiær AD, fAD). Denne formen for AD utgjør ikke mer enn 10% av alle tilfeller, og de aller fleste AD er ikke ledsaget av slike mutasjoner. Imidlertid vil familiær Alzheimers sykdom sannsynligvis skyldes endret proteolytisk behandling. Dette bevises av det faktum at mange mutasjoner som fører til fAD forekommer i nærheten av γ-sekretasespaltingssteder på APP. En av de vanligste mutasjonene som forårsaker fAD, London Mutation , forekommer ved kodon 717 i APP -genet, og resulterer i en valin til isoleucin aminosyresubstitusjon. Histokjemisk analyse av APP V717I-mutasjonen har avdekket omfattende Aβ-patologi gjennom neuroaxis så vel som utbredt cerebral amyloid angiopati (CAA).
Genet til amyloidforløperproteinet er lokalisert på kromosom 21 , og derfor har personer med Downs syndrom en svært høy forekomst av Alzheimers sykdom.
Struktur og toksisitet
Amyloid beta er vanligvis antatt å være iboende strukturert , noe som betyr at den i løsning ikke får en unik tertiær fold, men snarere befolker et sett med strukturer. Som sådan kan den ikke krystalliseres, og mest strukturell kunnskap om amyloid beta kommer fra NMR og molekylær dynamikk . Tidlige NMR-avledede modeller av et 26-aminosyre-polypeptid fra amyloid beta (Aβ 10-35) viser en kollapset spolestruktur uten signifikant sekundært strukturinnhold . Den siste (2012) NMR-strukturen til (Aβ 1-40) har imidlertid en betydelig sekundær og tertiær struktur. Replica exchange molekylære dynamikkstudier antydet at amyloid beta faktisk kan fylle flere diskrete strukturelle tilstander; nyere studier identifiserte en mangfold av diskrete konformasjonsklynger ved statistisk analyse. Ved NMR-guidede simuleringer ser det ut til at amyloid beta 1-40 og amyloid beta 1-42 også har svært forskjellige konformasjonelle tilstander, med C-terminalen til amyloid beta 1-42 som er mer strukturert enn i 1-40-fragmentet.
Lavtemperatur- og saltfattige forhold tillot å isolere pentameriske skiveformede oligomerer uten beta-struktur. I kontrast ser det ut til at oppløselige oligomerer fremstilt i nærvær av vaskemidler har et betydelig beta -innhold med blandet parallell og antiparallell karakter, forskjellig fra fibriller; beregningsstudier antyder et antiparallelt beta-turn-beta-motiv i stedet for membraninnstøpte oligomerer.
De foreslåtte mekanismene som amyloid beta kan skade og forårsake nevronaldød inkluderer generering av reaktive oksygenarter under selve aggregeringsprosessen. Når dette skjer på membranen av nevroner in vitro, forårsaker det lipidperoksidasjon og generering av et giftig aldehyd som kalles 4-hydroksynonenal, noe som igjen svekker funksjonen til ionmotive ATPaser, glukosetransportører og glutamattransportører . Som et resultat fremmer amyloid beta depolarisering av synaptisk membran, overdreven kalsiumtilstrømning og mitokondriell svekkelse. Aggregasjoner av amyloid-beta-peptidet forstyrrer membraner in vitro.
Intervensjonsstrategier
Forskere i Alzheimers sykdom har identifisert flere strategier som mulige tiltak mot amyloid:
- β-sekretase -inhibitorer . Disse arbeider for å blokkere den første spaltningen av APP inne i cellen, ved det endoplasmatiske retikulum.
- γ-Secretase- hemmere (f.eks. semagacestat ). Disse arbeider for å blokkere den andre spaltningen av APP i cellemembranen og vil deretter stoppe den påfølgende dannelsen av Aβ og dens toksiske fragmenter.
- Selektive Aβ 42 senkemidler (f.eks. Tarenflurbil ). Disse modulerer γ-sekretase for å redusere Aβ 42- produksjonen til fordel for andre (kortere) Aβ-versjoner.
β- og γ-sekretase er ansvarlig for generering av Aβ fra frigjøringen av det intracellulære domenet til APP, noe som betyr at forbindelser som delvis kan hemme aktiviteten til enten β- eller γ-sekretase er svært ettertraktede. For å starte delvis inhibering av β- og γ-sekretase, er det nødvendig med en forbindelse som kan blokkere det store aktive stedet for aspartylproteaser mens den fortsatt er i stand til å omgå blod-hjerne-barrieren. Hittil har menneskelig testing blitt unngått på grunn av bekymring for at det kan forstyrre signalering via Notch -proteiner og andre celleoverflatereseptorer.
- Immunterapi . Dette stimulerer vertsimmunsystemet til å gjenkjenne og angripe Aβ, eller tilveiebringe antistoffer som enten forhindrer plakkavsetning eller forbedrer klaring av plakk eller Aβ -oligomerer. Oligomerisering er en kjemisk prosess som omdanner individuelle molekyler til en kjede som består av et begrenset antall molekyler. Forebygging av oligomerisering av Aβ er eksemplifisert ved aktiv eller passiv Aβ -immunisering. I denne prosessen brukes antistoffer mot Aβ for å redusere cerebrale plakknivåer. Dette oppnås ved å fremme mikroglial clearance og/eller omfordele peptidet fra hjernen til systemisk sirkulasjon. Antistoffer som er rettet mot Aβ som for tiden er i kliniske studier inkluderer aducanumab , bapineuzumab , crenezumab , gantenerumab og solanezumab . Amyloid beta-vaksiner som for tiden er i kliniske studier inkluderer CAD106 og UB-311 . Imidlertid har litteraturvurderinger reist spørsmål om immunterapiens totale effekt. En slik studie som vurderte ti anti-Ab42-antistoffer viste minimal kognitiv beskyttelse og resultater innen hver prøve, ettersom symptomene var for langt fremme på tidspunktet for søknad for å være nyttige. Videre utvikling er fortsatt nødvendig for bruk hos de som er presymptomatiske for å vurdere effektiviteten tidlig i sykdomsutviklingen.
- Anti-aggregeringsmidler som apomorfin eller karbenoksolon . Sistnevnte har ofte blitt brukt som behandling for magesår, men viser også nevrobeskyttende egenskaper, vist å forbedre kognitive funksjoner som verbal flyt og hukommelseskonsolidering. Ved å binde seg med høy affinitet til Aβ42 -fragmenter, først og fremst via hydrogenbinding, fanger karbenoksolon peptidene før de kan aggregeres sammen, gjør dem inerte, samt destabiliserer de aggregatene som allerede er dannet, og hjelper til med å rydde dem. Dette er en vanlig virkningsmekanisme for anti-aggregeringsmidler generelt.
- Studier som sammenligner syntetisk med rekombinant Aβ 42 i analyser som måler fibrillasjonshastighet, fibril homogenitet og celletoksisitet viste at rekombinant Aβ 42 hadde en raskere fibrillasjonshastighet og større toksisitet enn syntetisk amyloid beta 1-42 peptid.
- Modulering av kolesterolhomeostase har gitt resultater som viser at kronisk bruk av kolesterolsenkende legemidler, for eksempel statiner, er forbundet med en lavere forekomst av AD. I genmodifiserte APP-mus har det vist seg at kolesterolsenkende legemidler reduserer den generelle patologien. Selv om mekanismen er dårlig forstått, ser det ut til at kolesterolsenkende legemidler har en direkte effekt på APP-behandling.
- Memantine er et legemiddel mot Alzheimers sykdom som har fått utbredt godkjenning. Det er en ikke-konkurransedyktig N-metyl-D-aspartat ( NMDA ) kanalblokker. Ved å binde seg til NMDA -reseptoren med en høyere affinitet enn Mg2+ -ioner, er memantin i stand til å hemme den langvarige tilstrømningen av Ca2+ -ioner, spesielt fra ekstrasynaptiske reseptorer, som danner grunnlaget for neuronal eksitotoksisitet. Det er et alternativ for behandling av de med moderat til alvorlig Alzheimers sykdom (beskjeden effekt). Studien viste at 20 mg/dag forbedret kognisjon, funksjonsevne og atferdssymptomer.
- Norvaline er et kandidatmedisin for behandling av Alzheimers sykdom. Det er en arginasehemmer som lett krysser blod -hjerne -barrieren og reduserer arginintap i hjernen. Amyloid beta-avsetning er forbundet med L-arginin-deprivasjon og nevrodegenerasjon. Mus behandlet med Norvaline viser forbedret romlig hukommelse, økt neuroplasticitetsrelaterte proteiner og reduksjon i amyloid beta.
Måling av amyloid beta
Avbildningsforbindelser, særlig Pittsburgh-forbindelse B , (6-OH-BTA-1, et tioflavin ), kan selektivt binde seg til amyloid beta in vitro og in vivo. Denne teknikken, kombinert med PET -avbildning, brukes til å avbilde områder med plakkavsetninger hos de med Alzheimers.
Post mortem eller i vevsbiopsier
Amyloid beta kan måles semikvantitativt med immunfarging , noe som også lar en bestemme plassering. Amyloid beta kan hovedsakelig være vaskulær, som ved cerebral amyloid angiopati , eller i amyloidplakk i hvit substans .
En sensitiv metode er ELISA, som er en immunosorbentanalyse som bruker et par antistoffer som gjenkjenner amyloid beta.
Atomkraftmikroskopi , som kan visualisere nanoskala molekylære overflater, kan brukes til å bestemme aggregeringstilstanden for amyloid beta in vitro.
Vibrasjonsmikrospektroskopi er en etikettfri metode som måler vibrasjon av molekyler i vevsprøver. Amyloide proteiner som Aβ kan påvises med denne teknikken på grunn av deres høye innhold av β-arkstrukturer. Nylig ble dannelsen av Aβ -fibriller løst i forskjellige plakk -typer ved Alzheimers sykdom , noe som indikerer at plakk passerer forskjellige stadier i utviklingen.
Dobbel polarisasjonsinterferometri er en optisk teknikk som kan måle tidlige stadier av aggregering ved å måle molekylær størrelse og tetthet etter hvert som fibrillene forlenger. Disse aggregerte prosessene kan også studeres på lipiddobbeltlagskonstruksjoner.