Header

UZH-Logo

Maintenance Infos

Characterization of BACE2 as a modulator of vascular smooth muscle cell function and atherosclerosis


Minotti, Roberta. Characterization of BACE2 as a modulator of vascular smooth muscle cell function and atherosclerosis. 2009, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Atherosclerosis is a chronic inflammatory disease of the vascular wall, characterized by the proliferation and accumulation of vascular smooth muscle cells (VSMCs) in the intimal layer of the wall. Previous studies of this laboratory have identified BACE2 (β-site APP-cleaving enzyme 2) as a gene expressed at a higher level in atherosclerosis-protected arteries in experimental atherosclerosis. The aspartyl protease BACE2 is an alternative  secretase which mediates ectodomain shedding of amyloid-β precursor protein (APP) and other transmembrane proteins. BACE2 shares high homology with BACE1 at amino acid level. The β-secretase BACE1 is predominantly expressed in neuronal cells, and is responsible of shedding APP resulting in the generation of the neurotoxic amyloid-β (Aβ) in Alzheimer’s disease. BACE2 is expressed at low level in the brain but is found to be highly expressed in vascularized tissues. Moreover, BACE2 preferentially cleaves APP at a different site, resulting in the formation of a non-amylogenic product. The similarity between Alzheimer’s disease and atherosclerosis and the high expression of the secretase in atherosclerosis-resistant arteries, led to speculate a role of BACE2 in the regulation of atherosclerosis. The aim of the present dissertation was to characterize the expression, regulation and function of BACE2 in VSMCs in vitro and the effect of BACE2 on atherosclerosis in vivo. This study demonstrates for the first time that BACE2 is expressed in human VSMCs. Using immunofluorescence analysis BACE2 was localized to caveolae, trans-Golgi network and endosomes. Furthermore, upon stimulation of cell growth, a rapid proteasome-dependent degradation of BACE2 was observed. Overexpression of BACE2 in VSMCs resulted in inhibition of cell proliferation, and was accompanied with downregulation of c-jun- and IκBα- dependent pro-inflammatory signaling pathways. On the other hand, downregulation of BACE2 using specific siRNA enhanced proliferation of these cells. To study the potential role of BACE2 in vivo, mice systemically overexpressing human BACE2 were generated and than crossed with ApoE-/- mice. The ApoE-/- BACE2-Tg mice had reduced atherosclerosis compared to ApoE-/- control mice. Furthermore, blood plasma concentrations of the pro- inflammatory cytokine IL-1β, cholesterol and lipids were also reduced. These results suggest a protective role of BACE2 in atherosclerosis, by attenuating proliferation of VSMCs, inflammation, and plasma levels of cholesterol and lipids. Thus, specific induction and activation of BACE2 could provide a novel therapeutic approach to decrease progression of atherosclerosis.

Atherosklerose ist eine entzündliche, chronische Gefäßkrankheit, die sich durch Vermehrung und Ablagerung von vaskulären, glatten Muskelzellen in der inneren Schicht der Arterienwand auszeichnet. In früheren Studien dieses Labors wurde gezeigt, dass BACE2 (β- site APP-cleaving enzyme 2) stärker exprimiert wird in Arterien, die gegen Atherosklerose geschützt sind. Die Aspartylprotease BACE2 (β-site APP-cleaving enzyme 2) ist für die enzymatische Spaltung der extrazellulären Domäne des Beta-Amyloid Vorläufer Proteins (APP) oder anderer transmembraner Proteine verantwortlich. BACE2 weist eine grosse Ähnlichkeit in der Aminosäuresequenz zu BACE1 auf. BACE1 wird hauptsächlich in Neuronen exprimiert und vermittelt die enzymatische Spaltung des APP, welches zur Bildung des neurotoxischen Beta-Amyloid Peptids führt. Das Beta-Amyloid spielt eine entscheidende Rolle in der Entstehung von Morbus Alzheimer, einer präsenilen Demenz. BACE2 wird stark in vaskulärem Gewebe exprimiert, wohingegen kaum im Gehirn. Außerdem schneidet BACE2 vorzugsweise APP an einer anderen Erkennungsequenz, welches zur Entstehung eines nicht amylogenen Produktes führt. Die Homologie zwischen Morbus Alzheimer und Atherosklerose und die erhöhte Expression von BACE2 in von Atherosklerose geschütztem vaskulärem Gewebe, legen die Vermutung nahe, dass BACE2 eine Rolle in der Regulation von Atherosklerose spielen könnte. Das Ziel der vorliegenden Dissertation war die Charakterisierung der Expression, Lokalisation, Regulation und Funktion der Sekretase BACE2 in vaskulären glatten Muskelzellen in vitro. Zusätzlich wurde die Funktion von BACE2 in einem Modell für Atherosklerose, der ApoE-/- defizienten Maus, in vivo analysiert. In der vorliegenden Arbeit wird zum ersten Mal gezeigt, dass BACE2 in menschlichen vaskulären glatten Muskelzellen exprimiert wird. Mit Hilfe der Immunofluoreszenzanalyse konnte bestimmt werden, dass BACE2 sowohl in den Caveolae, im Trans-Golgi Netzwerk und in den Endosomen vaskulärer glatter Muskelzellen lokalisiert ist. Außerdem konnte, nach Stimulation mit Wachstumsfaktoren, ein schneller Proteasom-abhängiger Abbau des Proteins BACE2 festgestellt werden. Die Überexpression von BACE2 in vaskulären glatten Muskelzellen führte zur Hemmung der Zellvermehrung. Zusätzlich führte dies zu einer Herunterregulierung von c-jun und IκBα-abhängigen entzündungsfördernden Signalwegen. Die Herunterregulierung der BACE2 Genexpression durch eine siRNA Transfektion resultierte in einer erhöhten Zellvermehrung desselben Zelltyps. Um die Funktion von BACE2 in vivo zu untersuchen, wurden ApoE-/- BACE2 transgene Mäuse (BACE2-Tg) generiert und mit ApoE-defizienten Mäusen gekreuzt. In den ApoE-/- BACE2-Tg Mäusen konnte, im Vergleich zu den ApoE-/- Kontrollmäusen, eine Reduktion der atherosklerotischen Plaques festgestellt werden. Darüber hinaus war die Konzentration von entzündungsfördernden Zytokinen wie auch die Konzentration von Cholesterin und Fette im Blutplasma verringert. Die vorliegenden Ergebnisse deuten darauf hin, dass BACE2 anti- proliferative und anti-inflammatorische Eigenschaften in Bezug auf Atherosklerose aufweist. Spezifische Induktion und Aktivierung von BACE2 könnte ein neuer therapeutischer Ansatz zur Behandlung atherosklerotischer Erkrankungen sein.

Abstract

Atherosclerosis is a chronic inflammatory disease of the vascular wall, characterized by the proliferation and accumulation of vascular smooth muscle cells (VSMCs) in the intimal layer of the wall. Previous studies of this laboratory have identified BACE2 (β-site APP-cleaving enzyme 2) as a gene expressed at a higher level in atherosclerosis-protected arteries in experimental atherosclerosis. The aspartyl protease BACE2 is an alternative  secretase which mediates ectodomain shedding of amyloid-β precursor protein (APP) and other transmembrane proteins. BACE2 shares high homology with BACE1 at amino acid level. The β-secretase BACE1 is predominantly expressed in neuronal cells, and is responsible of shedding APP resulting in the generation of the neurotoxic amyloid-β (Aβ) in Alzheimer’s disease. BACE2 is expressed at low level in the brain but is found to be highly expressed in vascularized tissues. Moreover, BACE2 preferentially cleaves APP at a different site, resulting in the formation of a non-amylogenic product. The similarity between Alzheimer’s disease and atherosclerosis and the high expression of the secretase in atherosclerosis-resistant arteries, led to speculate a role of BACE2 in the regulation of atherosclerosis. The aim of the present dissertation was to characterize the expression, regulation and function of BACE2 in VSMCs in vitro and the effect of BACE2 on atherosclerosis in vivo. This study demonstrates for the first time that BACE2 is expressed in human VSMCs. Using immunofluorescence analysis BACE2 was localized to caveolae, trans-Golgi network and endosomes. Furthermore, upon stimulation of cell growth, a rapid proteasome-dependent degradation of BACE2 was observed. Overexpression of BACE2 in VSMCs resulted in inhibition of cell proliferation, and was accompanied with downregulation of c-jun- and IκBα- dependent pro-inflammatory signaling pathways. On the other hand, downregulation of BACE2 using specific siRNA enhanced proliferation of these cells. To study the potential role of BACE2 in vivo, mice systemically overexpressing human BACE2 were generated and than crossed with ApoE-/- mice. The ApoE-/- BACE2-Tg mice had reduced atherosclerosis compared to ApoE-/- control mice. Furthermore, blood plasma concentrations of the pro- inflammatory cytokine IL-1β, cholesterol and lipids were also reduced. These results suggest a protective role of BACE2 in atherosclerosis, by attenuating proliferation of VSMCs, inflammation, and plasma levels of cholesterol and lipids. Thus, specific induction and activation of BACE2 could provide a novel therapeutic approach to decrease progression of atherosclerosis.

Atherosklerose ist eine entzündliche, chronische Gefäßkrankheit, die sich durch Vermehrung und Ablagerung von vaskulären, glatten Muskelzellen in der inneren Schicht der Arterienwand auszeichnet. In früheren Studien dieses Labors wurde gezeigt, dass BACE2 (β- site APP-cleaving enzyme 2) stärker exprimiert wird in Arterien, die gegen Atherosklerose geschützt sind. Die Aspartylprotease BACE2 (β-site APP-cleaving enzyme 2) ist für die enzymatische Spaltung der extrazellulären Domäne des Beta-Amyloid Vorläufer Proteins (APP) oder anderer transmembraner Proteine verantwortlich. BACE2 weist eine grosse Ähnlichkeit in der Aminosäuresequenz zu BACE1 auf. BACE1 wird hauptsächlich in Neuronen exprimiert und vermittelt die enzymatische Spaltung des APP, welches zur Bildung des neurotoxischen Beta-Amyloid Peptids führt. Das Beta-Amyloid spielt eine entscheidende Rolle in der Entstehung von Morbus Alzheimer, einer präsenilen Demenz. BACE2 wird stark in vaskulärem Gewebe exprimiert, wohingegen kaum im Gehirn. Außerdem schneidet BACE2 vorzugsweise APP an einer anderen Erkennungsequenz, welches zur Entstehung eines nicht amylogenen Produktes führt. Die Homologie zwischen Morbus Alzheimer und Atherosklerose und die erhöhte Expression von BACE2 in von Atherosklerose geschütztem vaskulärem Gewebe, legen die Vermutung nahe, dass BACE2 eine Rolle in der Regulation von Atherosklerose spielen könnte. Das Ziel der vorliegenden Dissertation war die Charakterisierung der Expression, Lokalisation, Regulation und Funktion der Sekretase BACE2 in vaskulären glatten Muskelzellen in vitro. Zusätzlich wurde die Funktion von BACE2 in einem Modell für Atherosklerose, der ApoE-/- defizienten Maus, in vivo analysiert. In der vorliegenden Arbeit wird zum ersten Mal gezeigt, dass BACE2 in menschlichen vaskulären glatten Muskelzellen exprimiert wird. Mit Hilfe der Immunofluoreszenzanalyse konnte bestimmt werden, dass BACE2 sowohl in den Caveolae, im Trans-Golgi Netzwerk und in den Endosomen vaskulärer glatter Muskelzellen lokalisiert ist. Außerdem konnte, nach Stimulation mit Wachstumsfaktoren, ein schneller Proteasom-abhängiger Abbau des Proteins BACE2 festgestellt werden. Die Überexpression von BACE2 in vaskulären glatten Muskelzellen führte zur Hemmung der Zellvermehrung. Zusätzlich führte dies zu einer Herunterregulierung von c-jun und IκBα-abhängigen entzündungsfördernden Signalwegen. Die Herunterregulierung der BACE2 Genexpression durch eine siRNA Transfektion resultierte in einer erhöhten Zellvermehrung desselben Zelltyps. Um die Funktion von BACE2 in vivo zu untersuchen, wurden ApoE-/- BACE2 transgene Mäuse (BACE2-Tg) generiert und mit ApoE-defizienten Mäusen gekreuzt. In den ApoE-/- BACE2-Tg Mäusen konnte, im Vergleich zu den ApoE-/- Kontrollmäusen, eine Reduktion der atherosklerotischen Plaques festgestellt werden. Darüber hinaus war die Konzentration von entzündungsfördernden Zytokinen wie auch die Konzentration von Cholesterin und Fette im Blutplasma verringert. Die vorliegenden Ergebnisse deuten darauf hin, dass BACE2 anti- proliferative und anti-inflammatorische Eigenschaften in Bezug auf Atherosklerose aufweist. Spezifische Induktion und Aktivierung von BACE2 könnte ein neuer therapeutischer Ansatz zur Behandlung atherosklerotischer Erkrankungen sein.

Statistics

Downloads

103 downloads since deposited on 15 May 2019
54 downloads since 12 months
Detailed statistics

Additional indexing

Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Hajnal Alex, Barton Matthias, Aebersold Ruedi
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2009
Deposited On:15 May 2019 08:25
Last Modified:15 Apr 2021 15:00
Number of Pages:133
OA Status:Green

Download

Green Open Access

Download PDF  'Characterization of BACE2 as a modulator of vascular smooth muscle cell function and atherosclerosis'.
Preview
Content: Published Version
Filetype: PDF
Size: 1MB