Leta i den här bloggen

tisdag 21 september 2010

APP proteiini ja diurnaali rytmi

LÄHDE: Role of melatonin in Alzheimer-like neurodegeneration1
Jian-zhi WANG2,4, Ze-fen WANG2,3
2Pathophysiology Department, Key Laboratory of Neurological Diseases of Hubei Province, Tongji Medical School, Huazhong University of
Science and Technology, Wuhan 430030, China; 3Department of Physiology, Medical College, Wuhan University, Wuhan 430071, China

KYSYMYKSENI on : Esiintyykö normaalissa APP-holoproteiinierityksessä jotain diurnaalisuutta, vuorokausirytmiä? Tässä sitten selviää, että varsinainen melatoniini, pimeähormoni, erittyy käpylisäkkeestä (Pineal body) iän mukana huonommin ja erityisen huonosti AD-taudissa, jossa sen osuus ikäänkuin säätelystä jää puuttumaan.
Jos säätely toimii ja pimeähormonia erittyy, APP mRNA säätyy alemmaksi ja APP muodostus alenee ja hyvät ja huonot tuotteet alenevat määrältään. Tämä artikkeli kertoo tästä. En suomenna vielä, mutta otan talteen. Melatoniini on antioksidantti ja neuroninsuojatekijä. Jos holoproteiinin APP-eritys on normaalia, siitä muodostuva liukoinen allfa sAPP on myös neuronin suojatekijä, nopeasti häviävä sen jälkeen, kun erittyy. Tässä pohditaan onko melatoniinilla joitain terapeuttisia mahdollisuuksia AD taudissa tai sen estossa.

Abstract
Alzheimer disease (AD), an age-related neurodegenerative disorder with progressive
loss of memory and deterioration of comprehensive cognition, is characterized
by extracellular senile plaques of aggregated β-amyloid (Aβ), and intracellular
neurofibrillary tangles that contain hyperphosphorylated tau protein.

Recent studies (2006) showed that melatonin, an indoleamine secreted by the pineal gland, may play an important role in aging and AD as an antioxidant and neuroprotector.
Melatonin decreases during aging and patients with AD have a more profound
reduction in this hormone. Data from clinical trials indicate that melatonin supplementation
improves sleep, ameliorates sundowning, and slows down the progression
of cognitive impairment in Alzheimer’s patients.

Melatonin efficiently protects neuronal cells from Aβ-mediated toxicity via antioxidant and anti-amyloid properties: it not only inhibits Aβ generation, but also arrests the formation of
amyloid fibrils by a structure-dependent interaction with Aβ.

Our recent studies have demonstrated that melatonin efficiently attenuates Alzheimer-like tau hyperphosphorylation. Although the exact mechanism is still not fully understood, a direct regulatory influence of melatonin on the activities of protein kinases and
protein phosphatases is proposed.

Additionally, melatonin also plays a role in
protecting cholinergic neurons and in anti-inflammation.

Here, the neuroprotective
effects of melatonin and the underlying mechanisms by which it exerts its effects
are reviewed. The capacity of melatonin to prevent or ameliorate tau and Aβ
pathology further enhances its potential in the prevention or treatment of AD.


  • Introduction
Melatonin (N-acetyl-5-methoxytryptamine), a tryptophan
metabolite, is synthesized mainly by the pineal gland. Melatonin
has a number of physiological functions, including
regulating circadian rhythms, clearing free radicals, improving
immunity, and generally inhibiting the oxidation of
biomolecules. It is generally accepted that melatonin deficit
is closely related to aging and age-related diseases[1]. Decreased
levels of melatonin in serum and in cerebrospinal
fluid (CSF) and the loss of melatonin diurnal rhythm are observed
in patients with Alzheimer disease (AD)[2−6].
Interestingly, the level of melatonin in CSF decreases with
the progression of AD neuropathology as determined by
the Braak stages[6]. Melatonin levels both in CSF and in
postmortem human pineal gland are already reduced in preclinical
AD subjects, who are cognitively still intact and have
only the earliest signs of AD neuropathology[2,6]. A strong
correlation exists between pineal content and CSF level of
melatonin[2] and between CSF and plasma melatonin levels[7],
suggesting that a reduced CSF melatonin level may serve as
an early marker for the very first stages of AD. Although the
pineal gland of AD patients has molecular changes, no
changes in pineal weight, calcification or total protein content
have been observed[2,8]. A recent study showed that β1-
adrenergic receptor mRNA disappeared, and MAOA
activity and gene expression were upregulated in AD patients,
suggesting that the dysregulation of noradrenergic innervations
and the depletion of serotonin, the precursor of
melatonin, might be responsible for the loss of melatonin
rhythm and reduced melatonin levels in AD[2]. In AD patients,
melatonin supplementation has been suggested to improve
circadian rhythmicity, for example decreasing agitated
behavior, confusion and “sundowning”, and to produce
beneficial effects on memory in AD[9–13]. Therefore, melatonin
supplementation may be one of the possible strategies
for symptomatic treatment. Moreover, melatonin treatment
seems to be safe because of its marked low toxicity[14,15].
However, adverse drug reactions may occur, such as (i) fever
on the first day of melatonin treatment, which is possibly
a reaction to the thermoregulatory function of melatonin; (ii)
hyperkinesia or complaints of restless legs; (iii) menorrhagia,
which may be explained by a decrease in plasma folliclestimulating
hormone (FSH) and luteinizing hormone (LH);
(iv) pigmentation on arms and legs; (v) headache and abdominal
reactions, such as nausea, dyspepsia and abdominal
pain; (vi) thrombosis; and (vii) drowsiness[16,17]. When a
pharmacological dose of melatonin (3.0 mg) is administered
to elderly people, it not only induces sleep but also induces
hypothermia. Moreover, intravenous administration of melatonin
to schizophrenic patients in remission causes a worsening
of psychotic symptoms, which persists even after the
treatment is interrupted[18]. Pregnant women should avoid
melatonin, because its (functional) teratological effects are
not known. Additionally, there are also concerns with regard
to the potential vasoactive nature of melatonin.
There are two characteristic pathologies in the brains of
patients with AD: neurofibrillary tangles (NFT) composed of
hyperphosphorylated microtubule-associated protein tau,
and senile plaques (SP) mainly composed of Aβ peptide,
derivations from the proteolytic processing of amyloid precursor
protein (APP)[19]. Convincing evidence indicates that
Aβ can mediate neurotoxicity through a complex series of
interactions that involves increasing free radicals, raising
intracellular calcium concentrations, and even triggering
apoptosis[20]. Aβ is generally believed to play a major role in
promoting neuronal degeneration by rendering neurons more
vulnerable to age-related increases in levels of oxidative stress
and impairments in cellular energy metabolism[21]. Tau protein
is a major microtubule-associated protein that promotes
microtubule assembly and stabilizes microtubules; it also
takes part in the formation and maintenance of the axonal
structure[22]. Hyperphosphorylated tau reduces the ability
to stabilize microtubules, leading to disruption of the
cytoskeletal arrangement and neuronal transport[23,24]. The
extent of neurofibrillary pathology, and particularly the number
of cortical NFT, correlates positively with the severity of
dementia[25]. Although the exact pathogenesis of AD is not
fully understood, both Aβ deposition and tau hyperphosphorylation
play critical roles in the development of AD.
Because melatonin is able to improve some of the clinical
symptoms of AD, and because melatonin levels decrease
dramatically during AD, studies on the relationship between
melatonin and tau/Aβ pathology will be helpful to understand
and to assess its potential in the prevention or treatment
of AD. This review will address the protective effects
of melatonin on the pathological development of AD. Most
of the data presented here are from animal studies, because
the efficacy of melatonin in preclinical AD is currently not
well documented.
Role of melatonin in tau hyperphosphorylation
Effect of melatonin on cytoskeletal reorganization The
cytoskeleton plays a key role in maintaining the highly asymmetrical
shape and structural polarity of neurons that are
essential for neuronal physiology, and cytoskeletal reorganization
plays a key role in neurogenesis. In neurodegenerative
diseases, the cytoskeleton is abnormally assembled, and
impairment of neurotransmission occurs[26,27]. Current data
indicate that melatonin promotes neurogenesis through
cytoskeletal rearrangements in a receptor-dependent and
possibly subtype-selective manner[24,25]. Melatonin receptor
1 (MT1) is thought to be responsible for melatonininduced
neurite formation[28,29]. In addition, to promote
microtubule rearrangement through Ca2+/calmodulin antagonism[
30], melatonin could modulate phosphorylation and organization
of vimentin intermediate filaments via protein kinase
C activation in N1E-115 cells[31,32]. Alterations in cytoskeletal
organization and melatonin levels in aging and
neurodegenerative diseases support the notion that cytoskeletal
disruption is presumably associated with melatonin
deficiency. These observations prompted us to investigate
whether melatonin has beneficial effects on tau hyperphosphorylation,
one of the characteristic pathological features
in the AD brain.
Inhibition of tau hyperphosphorylation by melatonin
Cytoskeletal alterations in AD are predominantly characterized
by intracellular NFT mainly composed of an abnormal
hyperphosphorylated form of the microtubule-associated
protein, tau[33]. In healthy neurons, tau binds and stabilizes
microtubules, which make up the cytoskeleton of the cell, by
a reversible enzymatically mediated phosphorylation and
dephosphorylation process. Hyperphosphorylation of tau
leads to a decreased affinity with microtubules and the disruption
of the neuronal cytoskeleton, as well as resulting in
resistance to proteolytic degradation and gradual accumulation
in the cell body[34].
The phosphorylation of tau is strictly regulated by a panel
of protein phosphatases and protein kinases[35]. Inhibition
of tau hyperphosphorylation is one target in AD treatment.
Recently, we systemically studied the effect of melatonin on
tau hyperphosphorylation induced by a series of activators
of protein kinases and inhibitors of protein phosphatases.
We found that melatonin efficiently attenuates tau or
neurofilament hyperphosphorylation induced by wortmannin[36],
calyculin A[37,38] and okadaic acid[39] in N2a and SH-SY5Y
neuroblastoma cells. Our in vivo studies further demonstrated
that melatonin significantly ameliorated tau hyperphosphorylation
elicited by wortmannin[40] and isoproterenol[
41,42] in rats. To elucidate the mechanisms underlying the
inhibitory effect of melatonin on tau hyperphos-phorylation,
alterations of the activities of protein kinases and phosphatases
were detected. Melatonin treatment not only inhibited
wortmannin-induced glycogen synthase kinase-3
(GSK-3) activation, isoproterenol-induced protein kinase A
(PKA) activation, and calyculin A-induced protein phosphatase-
2A (PP-2A) inactivation, but also antagonized the
oxidative stress induced by these agents [34,35,40]. These results
from our studies provide supportive evidence for the strong
efficacy of melatonin supplementation in inhibiting tau
hyperphosphorylation induced by other stimuli. The next
question is whether a decrease in melatonin levels would
alter the phosphorylation state of the tau protein. To answer
this question, we inhibited melatonin biosynthesis by injecting
haloperidol, an inhibitor of 5-hydroxyindole-Omethyltransferase
(one of the key enzymes in melatonin
synthesis), into the lateral ventricle and the peritoneal cavity
in rats[43]. The decreased serum level of melatonin, as
detected by fluorescence high-performance liquid chromatography,
confirmed the successful inhibition of melatonin biosynthesis
by haloperidol. More importantly, we found that
inhibition of melatonin biosynthesis not only resulted in
spatial memory impairment in rats, but also induced a reduction
in tau phosphorylation with a concomitant decrease in
PP-2A activity. Supplementation with melatonin by prior
injection for 1 week and reinforcement during the haloperidol
administration period significantly improved memory retention
deficits, arrested tau hyperphosphory-lation and
oxidative stress, and restored PP-2A activity[43]. As far as we
know, this is the first report providing direct evidence for the
physiological regulation by melatonin of tau phosphorylation,
and PP-2A activity, as well as spatial memory. This finding
is of great interest and significance because of the profoundly
decreased melatonin levels and reduction in PP-2A activity
in AD brain[44]. Although it is unclear whether diminished
melatonin concentration is one of the causative factors or
only a secondary process in AD pathology is unclear, our
results strongly implicate decreased melatonin in Alzheimerlike
spatial memory impairment and tau hyperphosphorylation,
as well as reduced PP-2A activity. Melatonin may play
an important role in maintaining the physiological activity of
PP-2A through a currently unknown mechanism, and decreased
melatonin may be critical in the development of neurofibrillary
degeneration. As haloperidol not only inhibits 5-
hydroxyindole-O-methyltransferase, but also antagonizes
dopamine D2 receptors, it is important to explore more selective
means to suppress melatonin levels in the brains of
experimental animals.
Possible mechanisms underlying the effect of melatonin
on tau hyperphosphorylation Chemical agents used in
our studies, including wortmannin, isoproterenol and
calyculin A, not only induced tau phosphorylation, but also
initiated oxidative stress, as manifested by an elevated level
of malondialdehyde and an altered activity of superoxide
dismutase[36,37,39]. Furthermore, melatonin is a potent direct
free radical scavenger and indirect antioxidant that acts by
augmenting the activity of several important antioxidative
enzymes, for example superoxide dismutase, glutathione peroxidase
and glutathione reductase[45]. Oxidative stress is
known to influence the phosphorylation state of tau[46−48]. In
a more recent study we have also demonstrated that calyculin
A, a selective inhibitor of protein phosphatase of PP-2A and
PP-1 that has little or no direct effect on other phosphatases
or kinases, induced a significant activation of GSK-3 via oxidative
stress[35]. It is therefore possible that prevention
against tau phosphorylation by melatonin is partially due to
antioxidant activity.
However, more importantly, although the precise underlying
mechanisms are not fully understood, melatonin may
act as an enzyme modulator in a way that is unrelated to its
antioxidant properties. Accumulating data provide evidence
for the regulation by melatonin of protein kinases including
PKA[49,50], protein kinase C (PKC)[29,51], Ca2+/calmodulindependent
kinase II(CaMKII)[52], and the mitogen-activated
protein kinase (MAPK) family[53]. The documented correlation
between melatonin and cAMP indicates that melatonin
might inhibit PKA activity through the melatonin receptorcoupled
inhibition of adenylyl cyclase and reduction of
cAMP[49,50]. Although there is no evidence of a direct relationship
between melatonin and GSK-3 activity, a recent
study has found that melatonin treatment leads to elevated
phosphorylation of Akt[54], an upstream regulator of GSK-3.
It is possible that melatonin might at least partially inhibit
GSK-3 activity through activating the phosphatidyl inositol-
3 kinase (PI-3K)/Akt signaling pathway. Considering the
regulation of GSK-3 activity by other protein kinases, we
cannot exclude the possible contribution of melatonin-induced
activation of the PKC and MAPK families. Based on
our own studies and those by other groups, we believe that
melatonin may function as an upstream modulator of extensive
protein kinases and protein phosphatases, and GSK-3
is one of the most implicated as targets (Figure 1). Further
study is necessary to fully elucidate the signal transduction
modulated by melatonin.
  • Melatonin and Aβ toxicity
Regulation by melatonin of Aβ generation.

  • Aβ is composed of 39−43 amino acid residues derived from proteolytic
processing of a large precursor, APP, and plays a pivotal
role in the dysfunction and death of neurons in AD[19,21].

  • Mature APP is processed proteolytically by distinct
α-secretase or β-secretase pathways[55]. The nonamyloidogenic
α-pathway involves the cleavage of APP within the
Aβ sequence by α-secretase to release an N-terminal APP
fragment, which in turn is cleaved by γ-secretase. Thus, the
cleavage by γ-secretase precludes the formation of Aβ.
  • The amyloidogenic β-secretase pathway, which results in the
formation of intact Aβ peptide, is mediated by the sequential
cleavage of β-secretase and γ-secretases at the N- and Cterminals
of the Aβ sequence, respectively[64].

  • Melatonin has been found to have regulatory effects on APP metabolism.
Melatonin treatment inhibited normal levels
of secretion of soluble APP (sAPP) in different cell lines
by interfering with APP full maturation[56]. Melatonin also
affected the mRNA level of APP in a cell type-specific manner.
Pretreatment with melatonin resulted in a significant reduction
in the APP mRNA level in PC12 cells, but failed to produce
this effect in human neuroblastoma cells[57]. We have
also demonstrated that melatonin reduces Aβ generation in
mouse neuroblastoma N2a cells harboring APP695

[58]. An in vivo study showed that melatonin did not affect the expression
of APP holoprotein in transgenic Tg2576 mice[59]

Additionally, administration of melatonin efficiently reduced Aβ
generation and deposition in vivo[59,60] and in vitro[56–58,61].
However, a recent study showed that, despite achieving high
plasma concentrations of melatonin, chronic melatonin
therapy in old Tg2576 mice initiated at 14 months of age not
only failed to remove existing plaques, but also failed to
prevent additional Aβ deposition. This result is in contrast
with those of diminished Aβ in melatonin-treated wild type
mice[60] and reduced Aβ and protein nitration in melatonintreated
Tg2576 mice[59]. The age at initiation of melatonin
treatment may be the key difference that accounts for the
discrepancy between the studies of Matsubara et al[59] and
Quinn et al[62], in which the same transgenic Tg2576 mouse
model was used. Amyloid plaque pathology typically appears
in Tg2576 mice at 10–12 months of age[63]. Melatonin
treatment in the study of Matsubara et al was started at 4
months of age (prior to the appearance of hippocampal and
cortical plaques)[59], an earlier pathological stage compared
with 14 months of age in the study of Quinn et al[62]. However,
both studies concur in finding little evidence of the potent
antioxidant effects of melatonin in the oldest mice. These
findings indicate that melatonin has the ability to regulate
APP metabolism and prevent Aβ pathology, but fails to exert
anti-amyloid or antioxidant effects when initiated after the
age of Aβ deposition.
Although consistent conclusions were achieved, none
of the related studies further explain how melatonin exerts its
inhibitory effect on Aβ generation.

  • The proteolytic cleavage of APP by the α-secretase pathway is regulated by many
physiological and pathological stimuli;
the PKC-dependent mechanism is one of the most recognized.
Stimuli such as muscarinic and metabotrophic glutamate receptor agonists
and phorbol esters share the capacity to stimulate soluble
APP secretion and inhibit Aβ formation through PKC activation[
64]. The mechanism whereby PKC activity increases
soluble APP secretion is still unknown, but it may involve
additional kinase steps and the eventual activation of the
secretases that mediated APP cleavage. Recently, the inhibitory
regulation by GSK-3 on Aβ generation has been
well established[65–67]. GSK-3 interacts with presenilin-1, a
cofactor for γ-secretase, implying that GSK-3 may function as
a component in the γ-secretase complex[68,69]. Assuming that
melatonin can influence PKC and GSK-3 activity as mentioned
earlier, it is postulated that melatonin may regulate
APP processing through the PKC and GSK-3 pathways.
Because PKC is an upstream regulator of GSK-3, GSK-3 may
be one of the common signal pathways that regulate both
Aβ generation and tau hyperphosphorylation (Figure 1).
  • Regulation by melatonin of the formation of Aβ fibrils
Important pathological properties of Aβ, such as neurotoxicity
and resistance to proteolytic degradation, depend on the
ability of peptides to form β-sheet structures and/or amyloid
fibrils[70,71]. Intervention in the Aβ aggregation process can
be considered an approach to stopping or slowing the progression
of AD. Melatonin can interact with Aβ40 and Aβ42
and inhibit the progressive formation of β-sheet and/or amyloid
fibrils[72–74]. The antifibrillogenic effect of melatonin has
been demonstrated by different techniques, including circular
dichroism (CD) spectroscopy, electron microscopy and
nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, and
memory deficits, as well as cholinergic system dysfunction,
as indicated by a profound reduction in ChAT activity in the
frontal cortex and hippocampus. Long-term melatonin treatment
(4 months) significantly ameliorated such neuropathological,
behavioral and biochemical changes in APP695
transgenic mice[80]. Another study by Feng by et al also
showed that similar treatment with melatonin antagonized
spatial memory impairment and decreased ChAT activity in
ovariectomized adult rats[85]. Additionally, an inhibitory effect
of melatonin on ACh release was found in intact rabbit
retinas[86]. These findings indicate that protection of the
cholinergic system may occur at multiple steps that are critical
for ACh synthesis and release (Figure 2).
  • Anti-inflammatory actions
Epidemiological studies have
shown that non-steroidal anti-inflammatory drug (NSAID)
use decreases the incidence of AD[87]. Aβ itself has been
shown to act as a proinflammatory agent that causes the
activation of many inflammatory components, and SP coexist
with cytokines and chemokines, and are surrounded by
microglia and astrocytes, indicating the involvement of inflammation
in the pathogenesis of AD[88]. The activated microglia
induced by Aβ are the major sources of inflammatory
response. Microglial activation might involve beta-amyloid
binding and the activation of cell surface immune and adhesion
molecules[89]. It has been reported that melatonin attenuates
kainic acid-induced microglial and astroglial responses
as determined by immunohistochemical detection
of isolectin-B4 and glial fibrillary acidic protein (GFAP), the
specific markers for microglia and astroglia, respectively[90].
Oral melatonin administration also attenuated Aβ-induced
proinflammatory cytokines in rat brain[82]. A recent study
showed the potent suppressive effect of melatonin pretreatment
on the ischemia-reperfusion-stimulated ipsilateral increase
in the immunoreactivity for neuronal NO synthase
(nNOS), cyclooxyrenase-2 (COX-2) or myeloperoxidase
(MPO), but not for GFAP, suggesting the contribution of
anti-inflammatory response in neuroprotection against ischemia-
reperfusion damage[91]. Nuclear factor-kappaB (NF-
κB) plays an important role in inflammatory mediator-mediated
signal transduction. Melatonin has been shown to inhibit
tumor necrosis factor (TNF) and brain injury-induced
NF-κB activation[92,93]. These results suggest that the antiinflammatory
properties of melatonin are due to inhibition of
the production of inflammatory mediators and downstream
signal transduction.
  • Expectations
Melatonin has been proposed as a treatment for AD
based on the fact that the level of melatonin reduces during
aging and in AD patients, as well as for its antioxidant and
anti-amyloid effects. Recent studies from APP transgenic
mice have indicated that early, long-term melatonin supplementation
produces anti-amyloid and antioxidant effects, but
no such effect is produced when melatonin treatment is initiated
after the age of amyloid formation[58–61]. Extensive
clinical trials and studies with transgenic models are necessary
to confirm the role of melatonin at the late pathological
stage of AD. If melatonin has no effect at the late stage of
AD, studies on melatonin should be limited to the prevention
of AD, rather than treatment. Our studies have demonstrated
the efficacy of melatonin in the inhibition of tau
hyperphos-phorylation. As mentioned earlier, GSK-3 may
be one of the common signaling pathways that regulates
both Aβ generation and tau phosphorylation. Moreover,
GSK-3 is considered to be a key protein kinase involved in
Aβ-induced tau hyperphosphorylation. Therefore, the regulation
by melatonin of protein kinases, especially GSK-3, is
worthy of further exploration. Although GSK-3 has been
implicated as a central player in the altered metabolism of
both tau and Aβ, mechanistic links between melatonin and
GSK-3 have so far been only indirectly evidenced by the
sole fact that phosphorylation of a GSK-3 regulator, Akt, in
the brain is augmented by treatment with melatonin. Future
research strategies will need to overcome the current limitations
on insights into the direct functional coupling between
melatonin and GSK-3. For instance, experimental paradigms
such as the one provided by a recent study using a mouse
model of tauopathy[94] could be applied to examination of the
hypothesis of melatonin- and GSK-3-mediated neurodegenerative
tau pathogenesis. In mammals melatonin exerts some
of its functions through two specific high-affinity membrane
receptors belonging to the superfamily of G-protein-coupled
receptors: MT1 and MT2. Decreased MT2 immunore
activity and increased MT1 immunoreactivity have been
reported in the hippocampus of AD patients[95,96]. The connection
between changes in receptor expression and the unsatisfactory
therapeutic effects of melatonin when started at
a late pathological stage of AD remain to be elucidated.
  • As a conclusion,
in addition to its well-established antioxidant
effect, melatonin prevents cells from Aβ-mediated
toxicity not only by inhibiting Aβ generation but also by
inhibiting Aβ aggregation and formation of amyloid fibrils.
Furthermore, melatonin attenuates tau hyperphosphorylation
induced by activation of protein kinases or inhibition of protein
phosphatases. Moreover, melatonin may be involved
in the physilogical regulation of tau phosphorylation. Early,
long-term application of melatonin may at least slow down
the development of AD.

Muistiin kuuluu epigeneettinen mekanismi

Pages 5-16
Review Article
Yuri I. Arshavsky
Why Alzheimer’s Disease Starts with a Memory Impairment: Neurophysiological Insight
Abstract: Alzheimer’s disease is a neurodegenerative disease whose sole initial symptom is memory impairment. However, the mechanisms which make the neurons involved in learning and memory particularly vulnerable to the formation of amyloid plaques and neurofibrillary tangles remain completely unknown. Here, I propose a hypothesis that may resolve this puzzle. A growing body of evidence suggests that memory formation involves epigenetic mechanisms that regulate patterns of gene expression. Therefore, it is conceivable that the process of memory consolidation may include the synthesis of novelproteins that are recognized by the immune system as “non-self” antigens. Normally, neurons involved in formation and storage of memory are isolated from the organism’s immune system by the blood-brain barrier. Since all known genetic and environmental risk factors for Alzheimer’s disease can compromise this barrier, I hypothesize that the disease is initiated as an autoimmune reaction against the memory-bearing neurons. This reaction gradually makes these neurons vulnerable to the subsequent formation of amyloid plaques and neurofibrillary tangles. This hypothesis suggests that early therapy of Alzheimer’s disease could be devoted to preventing impairments in the blood-brain barrier. Recent evidence that formation of the blood-brain barrier is controlled via the Wnt/β-catenin signaling pathway may suggest potential directions to addressing this problem.

Muistiin kuuluu epigeneettinen mekanismi

Kysymykseni: Miten aktiivi tahdonalainen ajattelu generoi erilaisia hermonvälittäjäaineita ja niitten joukossa kohteena olevaa holoproteiini APP:tä? Miten APP mRNA tuotto suhtautuu sekä aktiiviin aivotoimintaan päivällä että levon aikaan yöllä. Siis onko se aktiiviteetin modulissa tarvittava tuote, aktiivin ajattelun paralleelituote vai aineenvaihdunnalliisessa regeneraatiossa huippunsa omaava tuote ja siinä aktiivisen impulssin käsitelyn jälkiprosesseissa tarpeellinen tuote . Siis kuten GABA ja sen välituotteet GBH, niilläkin on aktiivi osa ja metabolinen osa syklissään. Jostain syystä aivojen tarvitsee metaboliansa takia nukkua välillä. Pimeä yö on ihmiskunnan nukkumisaika preinteisesti. Miten APP suhtautuu tähän vuorokausisykliin? Ja miten se tuottuu paralleelisti intensiivisen aktiivin lokomotion tai muun aktiivin kerebraalisen toiminnan aikana kun GLU ja GABA eritykset ovat hyvässä toiminnassa. Jos nimittäin lokomotion lisä tai muu aktiivin ajattelun lisä auttaa näitten hermoratojen toimintaa sujuvammaksi, olisi tärkeä esim ikääntyvien tehdä käsitöitä, jotain näpertelyä sormilla, mitä tahansa aivojen kognitiivista funktiota ylläpitävää, tai sitten liikkua tahdonalaista liikuntaa. Oman tahdon ohjaama käytös ja ajattelu on edullisisnta aivokuoren aminohappojen synteesikoneistolle. Mutta saattaa olla vice versa niinkin, että jos jo dementoituvalle henkilölle aletaan antaa käsitöitä tai muuta terapiaa, saattaa tätä neuronaalista oikenemista alkaa tapahtua ja myöhemmin kognitiivista paranemista ajattelun tai muistin domaaneissa.


Pages 5-16
Review Article
Yuri I. Arshavsky
Why Alzheimer’s Disease Starts with a Memory Impairment: Neurophysiological Insight
Abstract: Alzheimer’s disease is a neurodegenerative disease whose sole initial symptom is memory impairment. However, the mechanisms which make the neurons involved in learning and memory particularly vulnerable to the formation of amyloid plaques and neurofibrillary tangles remain completely unknown. Here, I propose a hypothesis that may resolve this puzzle. A growing body of evidence suggests that memory formation involves epigenetic mechanisms that regulate patterns of gene expression. Therefore, it is conceivable that the process of memory consolidation may include the synthesis of novelproteins that are recognized by the immune system as “non-self” antigens. Normally, neurons involved in formation and storage of memory are isolated from the organism’s immune system by the blood-brain barrier. Since all known genetic and environmental risk factors for Alzheimer’s disease can compromise this barrier, I hypothesize that the disease is initiated as an autoimmune reaction against the memory-bearing neurons. This reaction gradually makes these neurons vulnerable to the subsequent formation of amyloid plaques and neurofibrillary tangles. This hypothesis suggests that early therapy of Alzheimer’s disease could be devoted to preventing impairments in the blood-brain barrier. Recent evidence that formation of the blood-brain barrier is controlled via the Wnt/β-catenin signaling pathway may suggest potential directions to addressing this problem.

APP proteiinin syntetisoitumisesta

View Full Article (HTML) Get PDF (2057K) Regulation of APP Synthesis and Secretion by Neuroimmunophilin Ligands and Cyclooxygenase Inhibitors
  1. ROBERT K.K. LEE1,*,
  2. RICHARD J. WURTMAN2

Article first published online: 25 JAN 2006

DOI: 10.1111/j.1749-6632.2000.tb06934.x

Abstract: We and others previously showed that both the synthesis of the amyloid precursor protein (APP) and its processing (i.e., to amyloidogenic Aβ peptides; soluble nonamyloidogenic APPs; and other APP fragments) are regulated by neurotransmitters.

  • NA-systeemi ja eikosanoidikaskadi

Transmitters that elevate cellular cAMP levels (like norepinephrine and prostaglandins, which act on β-adrenergic receptors and prostaglandin E2 receptors respectively) enhance APP synthesis and the formation of amyloidogenic APP holoprotein.

  • PI-systeemi, AK-systeemi. 5HT-systeemi, Glu-systeemi ja niiden stimulaatio:

Transmitters that stimulate phosphatidylinositol hydrolysis (by activating muscarinic m1 or m3 receptors, serotoninergic 5HT2a or 5HT2c receptors, or metabotropic glutamate receptors of subtypes 1 or 5) increase the conversion of APP to soluble APPs, and decrease the formation of Aβ.

These findings suggest that drugs that regulate the activity of neurotransmitter receptors might be useful in preventing the excessive formation of Aβ or other amyloid precursors in Alzheimer's disease.

  • We now show that neuroimmunophilin ligands (like cyclosporin A or FK-506) and nonsteroidal antiinflammatory agents (NSAIDs), including cyclooxygenase (COX)-2 inhibitors, can also prevent APP overexpression and the overproduction of amyloidogenic peptides. We observe that the enhancement of APP over-expression by prostaglandin E2 is inhibited by neuroimmunophilin ligands like cyclosporin A or FK-506 (tacrolimus). We also find that the NSAIDs, which reduce prostaglandin synthesis by inhibiting COX-1 and -2 enzymes, might also be expected to lower APP levels. Our present data confirm that these drugs, as well as drugs that selectively inhibit COX-2, reduce the levels of amyloidogenic APP holoprotein in cultured neurons or in cultured astrocytes. We previously showed that elevations in cAMP, perhaps generated in response to prostaglandins, can suppress APPs secretion.
  • The NSAIDs and COX inhibitors also increased levels of soluble APPs in the media of cultured astrocytes and neurons, perhaps acting by inhibition of prostaglandin production. Since APP holoprotein can be amyloidogenic, while APPs may be neurotrophic, our findings suggest that some neuroimmunophilin ligands, NSAIDs and COX-2 inhibitors might suppress amyloid formation and enhance neuronal regeneration in Alzheimer's disease.
KOMMENTTINI:
Tästä siltaa anandamidijärjestelmään( endokannabinoidijärjestelmään)
Siinä oleva tasapaino anandamidisignaloinnin jälkeen vapautuvan arakidonihapon ja muiden rasvahappojen ( eikosanoideja vaimentavien rasvahappojen) välillä vaikuttaa jatkossa eikosanoidikaskadiin, josta tulee APP-synteesin stimulaattorivaikutusta ja täten APP:n määrä tulee isommaksi jos eikosanoidikaskadi triggeröityy päälle. Koska se on samalla inflammatorinen, niin NSAID toimiiv vaikuttajana kahdessa taqsossa: APP:n määrän rajoittajana ja toisaalta edistämässä liukoisen , edullisen, sAPP muodon syntetisoimista, siitähän ei ole haittaa.

Miten nämä järjestelmät sAPP kierto ja anandamidimetabolia paikallisesti neuronissa suhtautuvat toiseensa? Tästä pitää katsoa jokin kuva tai tehdä kuva. ( 3.5. 2011).

Alfasekretaasi on nonamylogeeninen

ALFASEKRETAASI entsyymi katakisee APP molekyylin siten, että Abeetaa ei pääse muodostumaan ollenkaan sillä katkos on siitä kriittisesta
ä jaksosta joka Abeetalla olisi. Täten tällä ehättävällä alfasekretasilla tapahtuu nonamylogeeninen APP-pilkkoutuminen.
ALFASEKRETAASI on ADAM perheen proteiini, disintegriini ja metalloproteaasi- domaanin omaava entsyymi. jota esiintyy solujen pinnalla ankuuroituneena solukalvoon. Kun APP-molekyyli on ilemstynyt solukalvoon niin alfasekretaasi pilkkoo siitä ulos olevan osan, jonka nimi on APPs alfa, liukoinen alfaAPP ja sitä erittyy solun ulkopuolelle. Tämä on normaalia.

Wikipedia teksti alfasekretaasista.

Alpha secretases are a family of proteolytic enzymes that cleave amyloid precursor protein (APP) in its transmembrane region. Specifically, alpha secretases cleave within the fragment that gives rise to the Alzheimer's disease-associated peptide amyloid beta when APP is instead processed by beta secretase and gamma secretase. Thus, alpha-secretase cleavage precludes amyloid beta formation and is considered to be part of the non-amyloidogenic pathway in APP processing. Alpha secretases are members of the ADAM ('a disintegrin and metalloprotease domain') family, which are expressed on the surfaces of cells and anchored in the cell membrane. Several such proteins, notably ADAM10, have been identified as possessing alpha-secretase activity. Upon cleavage by alpha secretases, APP releases its extracellular domain - a fragment known as APPsα - into the extracellular environment in a process known as ectodomain shedding.[1]

Cleavage of APP via alpha, beta and gamma secretase; defined functions on APP are coloured

ADAM10 consists of two protein domains, a disintegrin domain and a prodomain; however, only the prodomain is required for APP processing.

Other ADAM proteins, ADAM17 (also called TACE, tumor necrosis factor-α converting enzyme),

ADAM9 and ADAM19

have also been identified as alpha secretases; extracellular expression of mutant ADAM9 (also known as MDC9 or meltrin gamma) lacking the membrane anchor domain has been suggested as one of many possible means of Alzheimer's prevention and treatment exploiting the alpha secretase pathway.

Two distinct modalities of alpha-secretase activity have been observed in cells; constitutive activity occurs mainly at the cell surface and is independent of regulatory mechanisms inside the cell, while regulated activity occurs mainly in the golgi and is dependent on the activity of protein kinase C. Alpha-secretase activity in the golgi is thought to compete directly with the beta-secretase pathway for APP substrates during membrane protein maturation.

Alfa-sekretaasilla on havaittu kaksi erilaista modulia Tuo hyvin nopea konstitutiivinen aktiivisuus tapahtuu pääasiassa solun pinnalla ja se on riippumaton säätelymekanismeista. joita on solun sisällä, kun taas säädelty aktiivisuus tapahtuu Golgin laitteessa ja se riippuu proteiinikinaasi C (PKC) aktiivisuudesta. Alfa-sekretaasitien aktiivisuuden Golgin laitteessa arvellaan kilpailevan suoraa beeta-sekretaasitien kanssa APP-substraatista kalvoproteiinin kyposymisen aikana.

(Huom. tässä on jokin solmukohtaasia. Jos APP määrä on suuri, niin silloin myös beetasekretaasi alkaa pilkkoa molekyyliä, mainitaan jossain. Nyt tulee mieleen MIKÄ säätää APP määrän? Onko APP määrän säätö suhteessa esim aivokuoren tahdonalaisuuteen, tahdonalaisten impulssien kehkeyttämiseen? Mikä korrelaatio on näissä asioissa? Missä cerebraalisissa kentissä APP tuottuu, missä enemmän, missä vähemmän? Miten sitä tuottuu lokomotion kentissä?)

Cell-surface cleavage by alpha secretase is very rapid after APP reaches the cell surface.

ALFA_SEKRETAASIN SUORITTAMA APP-molekyylin PILKKOMINEN ON HYVIN NOPEAA, HETI KUN MOLEKYYLI TULEE SOLUPINTAAN. Alfasekretaaseilla on funktiota oppimisen ja muistin muodostumisen säätelyssä. Tällä salfaAPP molekyylillä, jota samalla vapautuu on neorotroofista vaikutusta joka on antiapoptoottinen luonteeltaan ja edistää synapsin muodostusta. Tämä prosessi säätyy ylös jos ADAM10 on yliexpressiossa. Myös kehon ylin AC säätelijäpeptidi, signaalipeptidi PACAP pystyy säätämään alfasekretaasin aktiivisuutta ylöspäin.

The activity of alpha secretases has been implicated in the regulation of learning and memory formation. Release of the APPsα ectodomain has neurotrophic effects that counteract apoptotic signaling and promote synapse formation, processes that are upregulated when ADAM10 is overexpressed. Alpha secretase activity has also been observed to be upregulated in response to the signaling peptide PACAP.

Related alpha-secretases, including ADAM10, have also been implicated in similar maturation events for other transmembrane proteins such as MHC class I proteins. Recent evidence suggests that some such proteins are first processed to ectodomains by alpha secretases and subsequently cleaved by another Alzheimer's-associated protease complex, gamma secretase in its presenilin-complexed form.

Samankaltaiset alfasekretaasit ADAM 10 mukaanluettuna osallistuvat myös muitten transmembraanisten proteiinein kuten MHCI proteiinin kypsymistapahtumiin ( Major Histocompatibility Class I)

The Notch pathway bears many similarities to APP processing and is also regulated in part by ADAM10.

Abeeta struktuuri

http://www.alzheimer-adna.com/Images/PS1structure.gif

Tässä on aika valaiseva kuva APP molekyylistä ja niistä kohdista missä alfa-sekretaasin ja betasekretaasin puremat näkyvät sekä gamma-sekretaasin puremakohta.

Koetan löytää sen rakenteen kohdasta, mihin gluamaattipeptidaasi parhaiten puree.

Glutamaatti-karboksypeptidaasi GCPII on NAAG peptidaasi

Wikipedialähde:

Glutamate carboxypeptidase II (GCPII) (also known as N-acetyl-L-aspartyl-L-glutamate peptidase, NAAG peptidase, or NAALADase) is an enzyme that in humans is encoded by the FOLH1 [folate hydrolase (prostate-specific membrane antigen) 1] gene. Human GCPII contains 750 amino acids and weighs approximately 84 kD.

GCPII is a zinc metalloenzyme that resides in membranes. Most of the enzyme resides in the extracellular space. GCPII is a class II membrane glycoprotein. It catalyzes the hydrolysis of N-acetylaspartylglutamate (NAAG) to glutamate and N-acetylaspartate (NAA) according to the following reaction scheme:[3][4]

Reaction Scheme of NAAG Degradation by GCPII: GCPII + NAAG → GCPII-NAAG complex → Glutamate + NAA
Entsyymi on myös vastuussa gamma-linkkiytyneitten glutamaattien irrottamisista polygammaglutamaattifolaatista, jolloin folaatti voidaan kuljettaa ravinnosta kehoon ja se voi toimia foolihappovitamiinina. Sen takia entsyymillä on myös nimi foolihappohydrolaasi.
GCPII lisää epäsuoraan ja suoraan glutamaatin pitoisuutta extrasellulaaritilassa.
Suoraan, koska se pilkkoo NAAG- molekyylin NAA ja Glutamaatti molekyyleiksi.
Epäsuoraan, sillä NAAG suurissa pitoisuuksissa estää neutrotransmittereitten GABA:n ja glutamaatin vapautumista ja tämä tapahtuu suoralla interaktiolla presynaptiseen II ryhmän mGLuR reseptoreihin , aktivoiden ne. Jos on NAAG-peptidaasia niin NAAG- määrät voidaan pitää kontrolloituina eikä GABA , Glu eikä muut hermonvälittäjäaineet ole inhiboituneina.
2-PMPA and analogues
Thiol and indole thiol derivatives
Hydroxamate derivatives
Conformationally constricted dipeptide mimetics
PBDA- and urea based inhibitors
  • 6.4 Other potential therapeutic applications
  • Neurodegegeneratiivisia tauteja mainitaan tässä useita. Niissä hyperglutaminergisen neuronivauriota voidaan hillitä NP inhibiittorilla. Glutamaatti suurin pitoisuuksina extrasellualaritilassa neuroni väleissä on toksinen tekijä.
    • Laboratiivinen skitsofreniforminen tila joka tehdään aiheuttaa PCPAngel dust molekyylillä, vähenee tämän GCPII entsyymin inhiboimisesta , samoin palkkiojärjestelmään vaikuttavat seikat kuten kokaiini, alkoholi , nikotiini , jotka aiheuttavat addiktiota , ovat myös glutamaattipitoisuuksiin assosioituneita ja NAAG ja GCPII omaavat niissä säätelyvaikutuksia. Entsyymi-inhibiittorilla saadaan näissä tiloissa etuja. NAAG/NP järjestelmä osallistunee siihen neuraaliseen mekanismiin mistä on peräisin kokaiinin hillitön himo kohtaukselliset tarpeen liipaistumiset, alkoholin käytän tarve ja lääkeaddiktio. Sen takia NP estäjillä voi olla uuden terapeuttisen molekyylin merkitys sellaisissa keskushermostoperäisissä tiloissa.

    • 6.4.5 Diabetic neuropathy

    • 6.4.6 Drug addiction
    • 6.4.7 Other diseases and disorders
  • 7 References
  • 8 External links
    • (HUOM tämän neuronaalisen entsyymin yhdistäminen Alzheimerin tautiin ja APP- proteiinin proteiinin entsyymituoteiden hajoitatmisessa on myöhempiä löytöjä kuin vain yllä mainitut excitotoksisen vaikutuksen taustalla merkittävänä entsyyminä oleminen NAAG/NP järjestelmässä )

    måndag 20 september 2010

    Aivojen karboksypeptidaasi B , CPB

    • Aivojen karboksypeptidaasi B (CPB) pystyy Abeetan lisäksi pilkkomaan myös haimasaarekkeitten amyliinia.

    Expression of Human Brain CPB in Neuroectoderm-Derived Cells

    [0102] Immunohistochemical analysis using antibodies against human brain CPB (antibodies against the 14 C-terminal amino acids: anti-C14 module antibody) on tissue sections of pancreas and testis derived from humans and rats showed marked immunostaining in the cytoplasm of Langerhans' islet 0-cells (insulin-producing cells), and in the cytoplasm of testis interstitium Leydig's cells (FIG. 10) for both species.

    [0103] These results suggest that human brain CPB has the function of metabolizing amylin, which, similar to insulin, is produced in the β-cells and has β-amyloid-like properties. When the function of amylin is considered in the context of insulin action, human brain CPB may possibly be related to the pathological physiology of a specific type of diabetes.

    [0104]Additionally, expression of human brain CPB was confirmed in the cytoplasm of human testis Leydig's cells. Therefore, human brain CPB may possibly be involved in the production, secretion, degradation, and such, of many proteinous hormones produced in these endocrine cells.

    INDUSTRIAL APPLICABILITY

    [0105]The brain CPB protein of the present invention has the biological activity to cleave brain APP to produce Aβ-containing peptides. In addition, it has the biological activity to degrade Aβ peptide from the C terminus. Therefore, brain CPB protein may be a therapeutic drug that regulates pathological APP metabolisms and production of Aβ-containing peptides, and in addition, is a useful tool for elucidating the molecular mechanism of Aβ peptide production and the onset of diseases relating to Aβ peptide production (for example, Alzheimer's disease). Furthermore, brain CPB expressed in trace amounts in the spinal fluid and even in the peripheral blood is useful as a marker for CNS diseases to test and diagnose abnormalities in APP and Aβ metabolisms. In addition, brain CPB may be used to screen candidate compounds for drugs for diseases that cause Aβ accumulation in the brain. That is, the present invention has provided a novel and effective method for preventing, treating, and testing diseases that cause Aβ accumulation in the brain.

    Read more: www.faqs.org/patents/app/20100021951#ixzz105NiBMwp
    Tämä asia on patenttihakutasossa: Patent application title: Human Brain Carboxypeptidase B Inventors: Akira Matsumoto Agents: TOWNSEND AND TOWNSEND AND CREW, LLP Assignees: Origin: SAN FRANCISCO, CA US IPC8 Class: AC12Q137FI USPC Class: 435 24 Patent application number: 20100021951

    Karboksypeptidaasit

    Tämän nimen alla kulkee koko joukko erilaisia entsyymejä. Tässä YLEISESTI OTTAEN:
    • LÄHDE 1. Cell Mol Life Sci. 2001 Nov;58(12-13):1790-804. Carboxypeptidases from A to z: implications in embryonic development and Wnt binding. Reznik SE, Fricker LD. Department of Pathology, Albert Einstein College of Medicine, Bronx, New York 10461, USA.

    Suomennosta_Abstract

    Carboxypeptidases perform many diverse functions in the body. Katsaus Z- karboksypeptidaasiin joka irrottaa arginiineja.

    KARBOKSYPEPTIDAASEILLA on paljon tehtäviä kehossa.

    The well-studied pancreatic enzymes (carboxypeptidases A1, A2 and B) are involved in the digestion of food, whereas a related enzyme (mast-cell carboxypeptidase A) functions in the degradation of other proteins.

    On tutkittu perusteellisesti haiman entsyymejä, karboksypeptidaasi A1, A2 ja B. Ne osallistuvat ruoan sulatukseen. Niitten kaltainen entsyymi mast-solujen karboksipeptidaasi A hajoittaa muita proteiineja.

    Several members of the metallocarboxypeptidase gene family (carboxypeptidases D, E, M and N) are more selective enzymes and are thought to play a role in the processing of intercellular peptide messengers

    Useat tämän metalloentsyymigeeniperheen jäsenistä ( karboksypeptidaasit D, E, M ja N) ovat selektiivisempiä ja niillä arvellaan olevan tehtävänä intersellulaaristen , solujen välisten peptidivälittäjäaineitten pilkkominen.

    Three other members of the metallocarboxypeptidase gene family do not appear to encode active enzymes; these members have been designated CPX-1, CPX-2 and AEBP1/ACLP.

    Kolmen muun tämän metallokarboksipeptidaasigeeniperheen jäsenen ei ole havaittu koodaavan aktiiveja entsyymeitä. Nämä jäsnet on merkattu CPX-1, CPX-2 ja AEBP1/ACLP.

    In this review, we focus on the recently discovered carboxypeptidase Z (CPZ).

    Tässä katsauksessa tutkijat kohdistavat huomionsa vasta äskettäin keksittyyn karboksypeptidaasiin Z (CPZ).

    This enzyme removes C-terminal Arg residues from synthetic substrates, as do many of the other members of the gene family.

    Tämä entsyymi kohdistaa vaikutuksen arginiiniaminohappotähteisiin synteettisissä substraateissa, kuten moni muukin tämän perheen jäsen. Se erottaa arginiinitähteitä.

    However, CPZ differs from the other enzymes in that CPZ is enriched in the extracellular matrix and is broadly distributed during early embryogenesis.

    Kuitenkin CPZ eroaa muista entsyymeistä sen takia että sitä rikastuu extrasellulaariseen matrixiin ja sitä esiintyy laajalti varhaisen alkionkehityksen aikana.

    In addition to containing a metallocarboxypeptidase domain, CPZ also contains a Cys-rich domain that has homology to Wnt-binding proteins; Wnts are important signaling molecules during development.

    Sen lisäksi että CPZ omaa metallokarboksypeptidaasidomaanin siinä on myös cysteiini-pitoinen domaani kuten Wnt- sitovissa proteiineissa. WNt on tärkeä signaloiva molekyyli kehityksen aikana.

    Although the exact function of CPZ is not yet known, it is likely that this protein plays a role in development by one of several possible mechanisms.

    Vaikka CPZ- entsyymin tarkkaa funktiota ei tunneta, niin on todennäköisstä että tämä proteiini on merkitsevä kehityksen aikiana jollain mekanismillaan.

    Normaalin APP proteiinin pilkkoutuminen

    LÄHDE: FASEB J. 2010 Jul 12. [Epub ahead of print] Glutamate carboxypeptidase II: an amyloid peptide-degrading enzyme with physiological function in the brain. Kim MJ, Chae SS, Koh YH, Lee SK, Jo SA. Division of Brain Diseases, Center for Biomedical Sciences, National Institute of Health, Korea Center for Disease Control and Prevention, Seoul, Korea.

    Suomennosta_ Abstract

    Proteolytic processing of amyloid peptides (Abetas) is one important mechanism that controls the brain Abeta level.

    Aivojen Abeeta proteinin tasoa kontolloi proteolyyttinen prosessointi.

    Although several Abeta-degrading enzymes were identified, evidence has suggested the presence of other peptidases.

    Vaikka on jo havaittu useita Abeetaa hajoittavia entsyymeitä- on näyttöä vielä muittenkin peptidaasien olemassaolosta.

    Here, we report a novel function of glutamate carboxypeptidase II (GCPII) in Abeta degradation in brain, which is a peptidase involved in N-acetylaspartylglutamate cleavage, folate metabolism, and prostate tumorigenesis.

    Tässä artikkelissaan tutkijat raportoivat glutamaattidekarboksylaasipeptidaasi II:lle (GCPII) myös aivojen Abeetaa hajoittavan funktion. Tämän peptidaasin tunnettuja funktioita on N-asetyyliaspartyyliglutamaatin hajoittaminen, foolihapon aineenvaihdunta ja prostatan tumorogeneesi.

    Maldi-Tof/MS analysis showed that recombinant human GCPII cleaved the Abeta1-40 and Abeta1-42 monomers at their C-termini, producing smaller fragments, and Abeta1-14 that lacked aggregation property and cellular toxicity.

    Eräs menetelmä osoitti rekombinantilla GVPII-entsyymillä voitavan pilkkoa Abeeta1- 40 ja Abeeta1-42 peptidit monomeereiksi niitten C-terminaalista, jolloin tuottuu pienempiä fragmentteja ja Abeeta 1-14, jolla ei ollut aggrekoitumisominaisuuksia eikä tai solumyrkyllisyyttä.

    GCPII also degrades soluble oligomers and fibrils and can reduce the endogenous plaque size in brain sections obtained from amyloid precursor protein (APP) Swedish/presinilin (PS)-1DeltaE9 transgenic mice.

    GCPII hajoittaa myös liukoisia oligomeerejä ja fibrillejä sekä pystyy vähentämään plakkien kokoa aivoleikkeissä, joita on saatu transgeenisestä hiirestä (APP Swedish/presenilin(PS)-1DeltaE9 hiiri).

    Overexpression of GCPII in either HEK293-APP Swedish cells or primary neurons and glial cells reduced the levels of secreted or exogenously supplemented Abetas and reduced Abeta-induced neurotoxicity, suggesting the biological significance of GCPII-mediated Abeta cleavage.

    GCPII- entsyymin yliesiintymä HEK293 Swedish- soluissa tai primääreissä neuroneissa ja gliasoluissa vähensi sekretoituneen tai exogeenisti lisätyn Abeetan pitoisuuksia ja vähensi Abeetan- indusoimaa neurotoksisuutta, mistä voi päätellä GCPII-välitteisen Abeeta-pilkkoutumisen olevan biologisesti merkitsevää.

    Moreover, treatment of 8-mo-old transgenic mice for 1 mo with 2-(phosphonomethyl)-pentanedioic acid (10 mg/kg, intraperitoneally), a specific GCPII inhibitor, increased cerebral Abeta content.

    Jos tämä entsyymi estettiin tavalla tai toisella, Abeeta lisääntyi aivoissa.

    These results suggest an important physiological role for GCPII in Abeta clearance in brain and provide the evidence that dysregulation of GCPII is involved in Alzheimer's disease pathology.

    Näistä tuloksista voidaan päätellä, että GCPII omaa tärkeän fysiologisen tehtävän Abeetan puhdistamisesta ( clearance) aivoista ja antaa näyttöä siitä, että GCPII entsyymin toiminnan häiriöllä on myös osuutta Alzheimerin taudin patologiassa.


    Minkälainen entsyymi on karboksypeptidaasi? Mitä sen funktioon vaaditaan? Sivuhyppy karboksypeptidaasientsyymien puolelle seuraavassa.



    söndag 19 september 2010

    mTOR signalointitien aktivointi

    Löysin perjantaina kirjastossa käydessäni seuraavanlaisen artikkelin, joka herätti vähän ristiriitaiset tunteet, sillä siinä tutkittiin erään anesteettisen aineen Ketamine vaikutusta tähän signalointijärjestelmään mTOR.

    Aine on eläinlääketieteen alaa. Wikipedia kertoo tarkemmin tästä muistimolekyylin sammuttajasta, jota ilmeisesti väärinkäytetään kuten muitakin muistin vieviä huumeita ( angel dust tyyppiä) .
    Ketamine is a drug used in human and veterinary medicine developed by Parke-Davis (today a part of Pfizer) in 1962. Its hydrochloride salt is sold as Ketanest, Ketaset, and Ketalar. Pharmacologically, ketamine is classified as an NMDA receptor antagonist.[2] At high, fully anesthetic level doses, ketamine has also been found to bind to opioid μ receptors and sigma receptors.[3][4] Like other drugs of this class such as tiletamine and phencyclidine (PCP), it induces a state referred to as "dissociative anesthesia"[5] and is used as a recreational drug.


    Neuroscience 20 Aug 2010. page 10. SCIENCE AAAS.
    LÄHDE: Gryan F. Johan et O´Leary Olivia F. A Glutamate Pathway to Faster-Acting Antidepressants? Activation of mTOR, a ubiquitous protein, in the prefrontal cortes could be a key goal of new drug.

    (Tiedetään että anesteettinen Ketamine on psykoosia aiheuttava aine ja täten cerebraalia kognitiota pirstova ja dissosioiva aine, jolla on monenlaiset väärinkäyttöriskinsä. Mutta tässä artikkelissa esitetään sen olevan eläinkokeissa akuutti antidepressantti subanesteettisessa pitoisuudessa. Koska ilmeisesti sitä tullaan käyttämään tai jo käytetään ihmiskunnassa, niin otan tästä yksityiskohtiä esiin. Dementiapotilaat voivat joutua mitä kummallisimpien molekyylien koekentäksi, jos ei pidetä tarkkaa seulaa asiasta. KOSKAAN ei saisi mikään kokeilupilleri syrjäyttää biologisesti korkea-arvoisen proteiinidieetin ja tiheäenergisen ja ravintoainepitoisen ravinnon jokapäiväistä merkitystä näille potilaille. Ilman sellaista dieettiä jokin kallis pilleri on vain turhanaikaista ihmisten kiusaamista.

    APP-proteiinin pilkkoutuminen oikein on enemmän mahdollista silloin kun dieetti antaa niitä essentiellejä aminohappoja ja energia-aineita, koska APP rakenne pilkkoutumsikohdiltaan koostuu essentielleistä, ravinnon kautta saatavista aminohapoista. On turha kokeilla mitään pilleriä, jos ei anneta APP-proteiinille mahdollisuuttakaan muodostua normaaliksi. Aivojen puolella on aminohappojen saanti vaikeampaa kuin muualla kehossa, koska niiden täytyy kulkeutua veriaivokynnyksen yli, joten aivojen essentiellien aminohappojen saantiin kannattaa myös kohdistaa huomiota. Jos niitä ei tule, APP-molekyyli jo sinänsä on epänormaali. Epänormaali taas tuskin koskaan pilkkoutuu normaaleiksi osiksi, vaikka entsyymit olisivat normaalit.


    Nyt LÄHDEARETIKKELIIN Gryan F. Johan et O´Leary Olivia F. A Glutamate Pathway to Faster-Acting Antidepressants? Activation of mTOR, a ubiquitous protein, in the prefrontal cortes could be a key goal of new drug.
    Artikkeliin liittyy kuva, jossa ylinnä on poikkileikkauksena prefrontaali cortex ja sen alla nuolin osoitettuna mTOR signalointitie.
    -> ketamine ( yksinkertainen pieni annos aktivoi mTOR tien prefrontaalissa kuorikerroksessa)
    -> NMDA antagonismi on vaikutusmekanismina
    -> AMPA
    ->ERK ( extrasellulaarisen signaalin säätelemä kinaasi); AKT säätyvät ylös
    Näistä seuraa-> 4E-BP1 ( eukaryotic initiation factor 4E binding protein BP1) lisääntyy
    -> p7056K (kinaasi) lisääntyy pariksi tunniksi
    mTOR ( mammalian target of rapamycin) aktivoituupariksi tunniksi
    Tästä seuraa ( koe-eläimessä)
    • käytöksellisiä, behavioristisia vaikutuksia
    • synaptinen aktiivisuus kohoaa prefrontaalisti
    • lisääntynyttä hermouloketiheyttä ( spine density). Presynaptisesti havaitaan synapsiinia ja rakkuloita ja ulokkeen muodostumaa. Postsynaptisesti havaitaan vastaavalla kohdalla PSD95 ja GluR1 reseptorin esiintuloa. Kliinisesti tätä vastaa jo yhdessä vuorokaudessa esiin tuleva antidepressanttinen vaste.

    Kirjoitin artikkelista sana sanalta englantilaisen tekstin vihkooni. Otan tästä muutamia pätkiä tähän suomennettuna:

    Normaalit antidepressiolääkkeet näihin päiviin asti lisäävät tiettyjen hermonvälittäjäaineitten pitoisuutta aivoissa, erityisesti noradrenaliinia(NA) ja serotoniinia(5-HT) ja tällainen on edullista. Kuitenkin pieni osa depressiopotilaista jää resistenteiksi terapian vaikutuksille. Lisäksi näitten konventionellien antidepressanttilääkkeitten käytössä saa odottaa vaikutusta useita viikkoja tai kuukausia. Tässä kirjoittajat näkevät olevan tarvetta löytää nopeammin vaikuttavia lääkeaineita.

    Nykyiset antidepressanttilääkkeet nopeuttavat asteittaista synapsiyhteyksien uudelleenjärjestäytymistä ja neuronien välistä kommunikaatiota ehkä integroimalla uusia aivosoluja neuraaliseen verkkoon lisäämällä synapsien ja niihin kuuluvien proteiinien turn over- metabolista vaihtumista.

    GLUTAMAATTI, aivojen pääasiallisin excitatorinen aminohappo ja hermonvälittäjäaine osallistuu näihin prosesseihin.

    Viime vuosikymmenen aikana on useissa kliinisissä tutkimuksissa raportoitu ketaminen subanesteettisen annoksen voivan blokeerata erään tietyn glutamaattireseptorin NMDA-reseptorijoukosta ja tämä johti nopeasti antidepressiiviseen vaikutukseen jo tunneissa aineen antamisesta ja tämä vaikutus saattoi kestää ainakin viikon.
    Ketamine paransi myös depressiivisiä oireita terapiaresistenteillä potilailla. Sama todettiin koe-eläimissä.

    Li et al. samassa lehdessä mainitsevat että he koettavat identifioida nopeammin vaikeuttavia antidepressantteja identifioimalla solusignalointiteitä prefrontaalista kuorikerrokssta koe-eläinaivostossa. Tuo solusignalointitie aktivoituu äkisti pienestä ketamineannoksesta. Yksittäinenkin annos lisäsi synaptisten proteiinien ilmenemistä kahdessa tunnissa ja samalla dendriittiulokkeitten tiheys ja samoin synaptinen aktiivisuus lisääntyi 24 tunnissa.
    Yksi näistä aktivoituneista signaaliteistä oli aiemmin mainittu mTOR-signalointi.

    mTOR proteiini osallistuu proteiinisynteesiin ja synaptiseen plastisuuteen. Jos tämä mTOR proteiini estettiin rapamysiinillä, ketaminevaikutus estyi. Siis ketamine käyttää mTOR signalointitietä.
    Mediaalinen prefrontaalinen kuorikerros vaikuttuu stressistä ja depressiosta. Jos mTOR signalointi inhiboituu jostain syystä sillä alueella, estyy ketaminen antidepressiivinen efektikin.

    Li et al. osoittivat, että mTOR signalointitie aktivoitui eräästä toistakin yhdisteestä, jota he merkkasivat Ro- 25- 6981. Tämä vaikutti selektiivisesti tiettyyn NMDA-reseptorityyppiin (NR2B, NMDA-reseptorialatyypin antagonisti, joka tuotti antidepressanttivaikutuksesn) ja lisäsi ketaminen tapaan samalla ajoituksella useita signaloivia ja synaptisia proteiineja. Senkin vaikutukset riippuivat mTOR signaalitiestä. Lisäksi havaittiin, että mTOR signalointitie ei aktivoidu nykyisin käytetyistä antidepressiivisistä aineista kuten imipramine tai fluoxetine eikä myöskään ECT vaikuttanut mTOR signaloinnin aktivoitumista.

    Yhteenvetona kirjoittaja mainitsee , että näistä löydöistä voidaan päätellä että mTOR-välitteisten signaaliteitten nopea aktivaatio voi olla tärkeä ja uusi strategia nopeasti vaikuttavien antidepressanttien järkiperäisessä hahmottelussa. Mutta hän lisää että ei ketamine eikä mTOR ole mikään ihmeratkaisu nopeiden antidepressanttien terapiaan, sillä ketamine voi aiheuttaa oireita, jotka ovat psykoosin kaltaisia sekä kognitiivista huononemista, mikä rajoittaa sen mahdollisuuksia laajempaan kliiniseen käyttöön.

    Lisäksi koska mTOR on yleinen entsyymi, joka säätää proteiinien synteesiä, niin sellaiset hoidot, jotka epäonnistuvat mTOR-signaloinnin ajallisessa ja paikallisessa rajoittamisessa tiettyyn aikaan ja spesifiseen aivoalueeseen, voivat olla haitallisia ihmisessä ja voivat aiheuttaa esim syöpää.

    Tässä mainittiin ketaminen antidepressanttivaikutuksesta mTOR signaloinnin aktivoimisen kautta prefrontaalin kuorikerroksen mediaaliosissa. Edelleen on selvittämättä, jos ketamine ja andtidepressantit muuntavat mTOR aktiivisuutta muillakin aivoalueilla, jotka ovat myös vaikuttuneet vahvassa depressiossa.

    mTOR esiintymä ja aktiivisuus depressoidussa ihmisaivossa on vielä tuntematon asia. Lisäksi on oltava varovaisia sovellutettaessa tietoja koe-eläimistä ihmiseen, sillä ihmisen etuaivot ovat paljon monimutkaisemmat rakenteeltaan. On parhaillaan menossa kliinisiä kokeita, joissa vaikutuskohteena on NMDAreseptorit. Odoteltaessa niistä tuloksia on nyt kuitenkin selvitettävänä mahdollinen solumekanismi, millä tavalla glutamiiniligandit indusoivat nopean antidepressiivisen vaikutuksena. Tästä voidaan johtua löytämään uusia antidepressiivisiä lääkkeitä.
    • Depressiosairauksista:
    MDD, major depressive disorder, tätä on 17%.ssa väestöä. Tämä on eräs johtava syy täydelliseen työkyvyttömyyten ja ekonomisiin vaikeuksiin. Stressi ja depressio voivat aiheuttaa pyramidaalisissa neuroneissa atrofiaa ja volyymin alenemaa prefrontaalissa kuorikerroksessa. Synaptiset proteiinit vähenevät GluR1, PSD95 ja synapsiini1.

    Ketamine= nonselektiivinen NMDAreseptori antagonisti. Se voi tuottaa nopeaa palautumista stressin tai depression tuottamiin vajeisiin ja saattaa lisätä etuaivovälitteistä johtumista ja funktiota. Ketamine on psykotomimeettinen aine ja sitä voidaan väärinkäyttää ja sen takia selektiivisempi lääke soveltuisi paremmin antidepressantiksi. NMDAreseptorin alayksikn 2B antagonistit tuottavat antidepressiivisiä vasteita ja muuten ne vaikuttavat ketamiinin kaltaisesti etuaivojen mTOR tiessä ja mainituissa proteiineissa.

    AMPA reseptorin osallistuminen mTOR signalointitiessä
    AMPA inhibiittori (NBQX).
    Jos oli esikäsitelty AMPA- estäjällä, estyi täydellisesti seuraavat fosforyloitumiset: 4E-PB1, p7056K ja mTOR, ERK, Akt prefrontaalisessa solussa.

    Erk ja Akt osallistumiset
    joko Erk estyminen tai Akt estyminen ( ylävirran Akt inhibitiolla)(aktivaattori on phosphatidylinositol 3K, PI3K)
    inhibiittorilla L4294002 blokeerasi ketamiinin aiheuttaman induktion fosforyloiduissa 4E-BP1, p7056K ja mTOR:ssa.
    Siis Erk ja PI3K/Akt välittävät ketamiinin mTOR-induktion.

    mTOR aktivaatio on toiminnallisesti linkkiytynyt synapseissa tapahtuvaan paikalliseen proteiinien synteesiin. Tästä tuottuu proteiineja, joita tarvitaan uusien synaptisten ulokkeitten muodostumiseen, kypsymiseen ja funktioon.

    Aiheuttaako ketaminin indusoima mTOR samanlaista vaikutusta?
    Ketaminen administraatio lisäsi postsynaptisten proteiinien PSD95 ja GLuR1 määrää ja presynaptista proteiinia synapsiinia.

    Ketaminen indusoima lisäys näissä synaptisissa proteiineissa tapahtui viiveellä, joka vastasi Erk, Akt ja mTOR viivettä ja huippu osui ajallisesti 2-6 tuntiin, muta oli koholla 72 tuntia.

    Arc
    Ketamine indusoi myös Arc ilmenemää ( activity-regulated cytoskeletal associated protein) , Tämän huippu tuli 1-2 tunnissa.

    Sitten kirjoitan alkukielellä seuraavat:

    EPSC
    Excitatory postsynaptic current frequency responses to serotonin(5-HT) which are mediated predominantly by cortical-cortical synapses in the apical tuft, are significantly increased by ketamine administration.

    Responses to hypocretin and orexin, which occur selectively at apical thalamo-cortical synapses are also increased.
    In both cases there is a significant increase in EPSC amplitude consistent with the elevation in mushroom spines and GluR1.

    Rapamycin
    blocks these ketamine effects

    Wikipedia kertoo rapamysiinistä ja se näyttää olevan tarina sinänsä. Vähän sellaista jin ja jang kertomusta tämä ketamine ja rapamycin.

    Sirolimus - Wikipedia, the free encyclopedia

    Sirolimus (INN/USAN), also known as rapamycin, is an immunosuppressant drug used to prevent rejection in organ transplantation; it is especially useful in ...

    Pohdinnan pääkohtia
    wheather an anesthetic dose of ketamine could produce an antidepressant effect
    Käytännössä siis kirjoittaja pohtii, jos syvän depression voisi hoitaa esim antamalla kerta-anestesian , sen sijaan että annetaan monien sähköshokkien(ECT) kuureja tai monen kuukauden lääkekuureja. Sähköshokit annetaan nykyään eräänlaisessa anestesiassa nekin, mutta niitten anestesia-aine ei ole tai kuka sen tietää- neuronisolun transkriptioon vaikuttava tekijä.

    mTOR signaloinnin induktion takana oleva mekanismi on vielä hieman epäselvä,
    mutta se vaatii glutamaatti-AMPA-reseptorin aktivoitumisen ja tämä on konsistenttia sen hypoteesin kanssa, että on olemassa NMDA-reseptorialatyyppi ( mahdollisest GABA:aa vapauttavissa interneuroneissa) joka antagnonisoituina blokeeraa GABA:n vapautumisen ja johtaa glutamaattisignaloinnin disinhibitioon.

    mTOR signalointitie

    mTOR (mammalian target of rapamycin) appears to play a central role
    in signaling caused by nutrients and mitogens such as growth factors to regulate translation.

    mTOR , nisäkkäissä esiintyvä rapamysiinin kohdemolekyyli näyttää olevan keskeinen signaloinnissa, jonka aiheuttaa eri ravintoaineet ja mitogeenit kuten kasvutekijät säädellen translaatiota.

    The drug rapamycin acts on mammalian cells through the mTOR protein kinase, also known as FRAP.

    Rapamysiininiminen lääkeaine vaikuttaa nisäkässoluissa mTOR proteiinikinaasiteitse ja se tunnetaan myös toisella nimellä FRAP.

    When bound to the immunophilin binding protein FKBP12, rapamycin inhibits mTOR kinase activity and has immunosuppressant activity.

    Sitoutuneena immunofiliinia sitovaan proteiiniin FKBP12 rapamysiini estää mTOR kinaasin aktiivisuutta ja omaa immunosupressiivisen vaikutuksen.

    Rapamycin and the mTOR inhibitor CCI-779 are being tested as anti-cancer agents, acting to block mitogenic signaling.

    Rapamysiini ja mTOR-estäjä CCI-779 on testattu vaikutukseltaan syövänvastaisina agensseina ja ne blokeeraavat mitogeenistä signalointia.

    Recently, mTOR was also found to act as an ATP sensor to regulate cell growth.
    Vastikään on mTOR In havaittu toimivan ATPsensorina ja kasvun säätelijänä.

    Upstream activation of PI 3 kinase activity that leads to oncogenic transformation can be blocked by inhibition of mTOR by rapamycin.

    PI3K:n aktiivisuuden ylävirran puoleinen aktivaatio, josta johtuu onkogeeninen muuntuminen, voi olla blokeerautunut rapamysiinin vaikuttamasta mTOR- inhibitiosta.

    Growth factor receptors first stimulate PI 3 kinase, and through inositol phosphates activate PDK-1 and AKT (protein kinase B). AKT phosphorylates mTOR (see AKT pathway).

    Kasvutekijäreseptorit stimuloivat ensiksi PI3K entsyymiä ja inositolifosfaatit aktivoivat PDK-1 ja AKT ( proteiinikinaasi B) entsyymin.

    The phosphorylation of p70S6K and 4EBP by mTOR and the phosphorylation downstream of RPS6 and EIF-4B stimulate translational initiation and contribute to cell growth (see also the Regulation of eIF4e and p70 S6 Kinase pathway).

    p70S6K ja 4EBP fosforylaatiot mTOR tekijällä ja RPS6 ja EIF-4B alavirran fosforylaatiot stimuloivat translaation alun ja osaltaan vaikuttavat solun kasvua.

    Tästä mTOR signalointitiestä on mahtavasti myös karttoja internetissä.

    mTOR Signaling Pathway
    Pathway information provided by BioCarta
    (See Terms and Conditions of use)

    Muistin modulista NMDA, AMPA ja PI-3kinaasista

    Tämä asia täytyy nyt sitten ottaa tähän blogiin eikä vain glutamiiniaminohappoa käsittelevään blogiin mTOR signalointitien myöhemmän kuvaamisen takia.


    Perkinton MS, Sihra TS, Williams RJ.


    Ca(2+)-permeable AMPA receptors induce phosphorylation of cAMP response element-binding protein through a phosphatidylinositol 3-kinase-dependent stimulation of the mitogen-activated protein kinase signaling cascade in neurons.
    J Neurosci. 1999 Jul 15;19(14):5861-74.
    PMID: 10407026 [PubMed - indexed for MEDLINE]




    Perkinton MS, Ip JK, Wood GL, Crossthwaite AJ, Williams RJ.


    Phosphatidylinositol 3-kinase is a central mediator of NMDA receptor signalling to MAP kinase (Erk1/2), Akt/PKB and CREB in striatal neurones.
    J Neurochem. 2002 Jan;80(2):239-54.
    PMID: 11902114 [PubMed - indexed for MEDLINE]