Analyse der BACE-1-Regulation in der Alzheimer-Krankheit und im Down-Syndrom

Die Alzheimer-Krankheit (AD), die häufigste Form der Demenz,
manifestiert sich klinisch meist ab dem 65. Lebensjahr mit langsam
progredienten Gedächtnis-, Orientierungs- und
Aufmerksamkeitsstörungen. Neuropathologische Korrelate sind die
Amyloid-Plaques, die hauptsächlich aus extrazellulären Aggregaten
des β-Amyloid-Proteins (Aβ) zusammengesetzt sind, und
intrazelluläre neurofibrilläre Bündel, die aus Aggregaten des
mikrotubulus-assoziierten Proteins Tau bestehen. Der „Auslöser“ der
Alzheimer-Krankheit ist das β-Amyloid-Protein
(Amyloid-Kaskaden-Hypothese), welches durch proteolytische
Prozessierung von βAPP (β-Amyloid-Vorläufer-Protein) entsteht. Dies
geschieht, indem zuerst BACE-1 (β-site APP cleaving enzyme 1) und
anschließend der γ-Sekretase-Komplex βAPP schneiden. Menschen mit
Down-Syndrom (DS), welches die häufigste autosomale
Chromosomenaberration darstellt, entwickeln bereits ab einem Alter
von 40 Jahren die typischen neuropathologischen Kennzeichen der
Alzheimer-Krankheit und zeigen mit einem Durchschnittsalter von 56
Jahren die klinischen Symptome der Demenz. Die Gründe für das frühe
Auftreten der Amyloid-Plaques sind noch nicht vollständig geklärt.
Das Gen für βAPP befindet sich auf dem Chromosom 21, welches im DS
dreifach vorhanden ist, und wird daher mit der frühen
Plaque-Pathologie im Down-Syndrom in Zusammenhang gebracht. BACE-1
konnte durch Überexpressions- und Knock-out-Experimente eindeutig
als alleinige β-Sekretase identifiziert werden. In Gehirnen von
Alzheimer-Demenz-Patienten konnten im Vergleich zu Kontrollgehirnen
erhöhte BACE-1-Proteinmengen und BACE-1-Aktivitäten nachgewiesen
werden. Es war deshalb interessant zu untersuchen, ob auch im
Gehirn von Down-Syndrom-Patienten die BACE-1-Proteinexpression
erhöht ist. Durch eine Hochregulation von BACE-1 im Down-Syndrom
könnte vermehrt βAPP prozessiert und somit Aβ gebildet werden.
Daher war es das Ziel der vorliegenden Arbeit die Expression von
BACE-1 in Gehirnen (Temporal- und Frontallappen) von DS-Patienten
im Vergleich zu Kontrollgehirnen zu analysieren. In der
Western-Blot-Analyse der Gewebeproben konnte gezeigt werden, dass
die BACE-1-Proteinmengen im Down-Syndrom im Vergleich zu den
Kontrollen (K) 1,4-fach erhöht waren. Die Proteinexpressionen von
βAPP zeigten sich im DS im Vergleich zu den Kontrollen 1,4-fach
erhöht. Diese Ergebnisse erzielten keine Signifikanz, zeigten aber
deutliche Trends im Expressionsverhalten. Dies könnte auf die
Anzahl der untersuchten Gehirne (Temporal- und Frontallappen je 3
DS, 4 AD und 5 K), Qualitätsmängel der Gehirnproben oder einer
ungleichen Verteilung der Proteinexpression im Gewebe
zurückzuführen sein. Es ist daher notwendig mehr Gehirne zu
untersuchen. Zudem wäre es interessant in Gehirnschnitten das
Verteilungsmuster der BACE-1-Expression im DS genauer zu studieren.
Die Ergebnisse deuten jedoch auf eine Hochregulation von BACE-1 im
DS-Gehirn und somit auf eine Beteiligung der Protease an der
Plaquepathologie des Down-Syndroms hin. BACE-1 scheint also sowohl
in der Pathogenese der Alzheimer-Demenz als auch in der des
Down-Syndroms eine zentrale Rolle einzunehmen. Daher ist es sehr
interessant die Regulation von BACE-1 weiter zu analysieren. Da in
p25-überexprimierenden Mäusen erhöhte BACE-1-Proteinexpressionen
gezeigt werden konnten, vermutete man eine Beteiligung von p25 an
der Regulation der β-Sekretase. p25, das im Gehirn der AD-Patienten
vermehrt gebildet wird und aus der Proteolyse von p35 entsteht,
bindet und aktiviert die Kinase cdk5. cdk5 phosphoryliert unter
anderem das Tau-Protein und wird daher mit der Bildung der
neurofibrillären Bündel in Zusammenhang gebracht. Durch die
Hochregulation von BACE-1 könnte p25 in der Pathogenese der
Alzheimer-Erkrankung eine neue Bedeutung zugeschrieben werden. Zur
Analyse der p25 induzierten Veränderungen in den Neuronen wurden
humane Neuroblastomazellen mit einem induzierbaren
p25-Expressionsvektor, Sp25-Zellen, verwendet. In diesen
p25-überexprimierenden Zellen konnten sowohl in der
Western-Blot-Analyse als auch in der BACE-1-Aktivitätsmessung
erhöhte BACE-1-Proteinexpressionen bzw. BACE-1-Aktivitäten gezeigt
werden. Die Northern-Blot-Analyse der Sp25-Zellen ergab erhöhte
BACE-1-mRNA-Spiegel, die sich jedoch in einer für endogene
BACE-1-mRNA untypische Größe detektieren ließen. p35, das
membrangebundene Vorläufer-Protein von p25, war indes nicht in der
Lage die BACE-1-Proteinexpression in humanen Neuroblastomazellen zu
erhöhen. Die Ergebnisse der Sp25-Zellen konnten in
p25-überexprimierenden murinen Neuroblastomazellen, Np25-Zellen,
nicht reproduziert werden. Daher ist es notwendig, den
p25-induzierten BACE-1-Regulationsmechanismus auf seine
Reproduzierbarkeit, z.B. in weiteren In-vivo-Modellen, zu
überprüfen.