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Analysis of Seladin-1 role in apoptosis and cholesterol metabolism


Crameri, Arames. Analysis of Seladin-1 role in apoptosis and cholesterol metabolism. 2005, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Die Alzheimer Krankheit ist eine der häufigsten Formen von seniler Demenz bei älteren Menschen. Sie ist durch den Verlust von Gedächtnis und anderen kognitiven Funktionen gekennzeichnet, welcher wiederum auf den Verfall von Nervenzellen zurückzuführen ist. Bisher gibt es noch keine eindeutige Erklärung für diesen zahlreichen Zerfall der Neurone, doch scheint unter anderem die vermehrte Ablagerung von abnormalen Proteinen die Ursache hierfür zu sein. Diese bestehen teilweise aus extra- und intrazellulärem β-amyloid (Aβ), dem Spaltprodukt des Vorläuferproteins (APP). Aβ reichert sich im Krankheitsfall zu Plaques an und ist schädlich für die Nervenzellen. Zum anderen finden sich in Gehirnen von Alzheimer Patienten intrazelluläre Anreicherungen von so genannten "tangles", das sind hyperphosphorylierte Formen des Zellgerüst-assoziierten Proteins Tau. In ca. 10% der Alzheimer Fälle wird die Krankheit durch Genveränderungen ausgelöst. In dieser familiären Form der Erkrankung treten die klinischen Zeichen und neuropathologischen Veränderungen bereits in jüngeren Jahren auf. Der wichtigste Risikofaktor für die spontane Form der Alzheimer Krankheit ist eine Genvariante des Proteins Apolipoprotein E, welches am Transport von Cholesterin im Blut beteiligt ist. Tierstudien legen ebenfalls einen Zusammenhang zwischen hoher Cholesterin- Aufnahme und der Entwicklung einer Alzheimer Krankheit nahe. Cholesterin ist ein wichtiger Baustein von Zellmembranen. Innerhalb der Membran existieren flossartige Strukturen, die sogenannten "rafts", welche von Cholesterin zusammengehalten werden. Diese "rafts" spielen eine wichtige Rolle bei der Übermittlung von Signalen und werden ausserdem mit der Prozessierung von APP in Zusammenhang gebracht. Seladin-1 ist ein Protein aus der Familie der Flavin-Adenin-Dinukleotid-abhängigen Oxidoreduktasen und ein wesentliches Enzym im Cholesterinstoffwechsel. Seladin-1 wurde vor einigen Jahren im Rahmen einer Studie entdeckt, in welcher erkrankte Hirnregionen von Alzheimer Patienten mit gesunden Bereichen verglichen wurden. In den kranken Regionen ist das Expressionsniveau von Seladin-1 signifikant geringer, weshalb es auch der selektive Alzheimer's Disease Indikator -1 genannt wird. In der vorliegenden Studie wurde die Rolle von Seladin-1 während des programmierten Zelltods (Apoptose) und bezüglich des Cholesterinstoffwechsels näher untersucht. Wir konnten zeigen, dass die Überexpression von Seladin-1 Zellen resistenter gegen Apoptose macht und zu einer Zunahme der Cholesterinkonzentration in der Membran führt. Letzteres resultierte in einer massgeblichen Beeinflussung der Zusammensetzung und Funktion der "rafts". Ebenso konnten wir darlegen, dass höhere Seladin-1- und Cholesterinspiegel die Prozessierung von APP und damit die Aβ Produktion hemmen. Im Gegensatz dazu zeigten Seladin-1 defiziente Mäuse geringere Cholesterinkonzentrationen in der Membran und eine erhöhte Aβ Bildung. Diese Ergebnisse zeigen zum ersten Mal, dass die Modifizierung der Seladin-1 Expression, und damit einer endogenen Komponente, zu einer Veränderung der Cholesterinkonzentration führen kann und dass Seladin-1 ein essentieller Regulator der Zusammensetzung und der Funktion von "rafts" ist. Das Resultat, dass die Erhöhung von Seladin-1 die Aβ Bildung reduziert, weist Seladin-1 als möglichen therapeutischen Angriffspunkt in der Alzheimer Behandlung aus.

Accumulation of amyloid-β peptides (Aβ) in the CNS is an invariant feature of the pathophysiology of Alzheimer's disease (AD), the most common form of dementia. Aβ peptides are derived from proteolytic cleavage of the amyloid precursor protein (APP) with the β-secretase cleaving at the N terminus and the γ-secretase(s) at the C terminus of Aβ peptides. Accumulation of Aβ in the brain has a fundamental role in AD-pathology including the induction of tau phosphorylation and neurofibrillary tangle formation, deficits in synaptic transmission and synaptotoxicity, and leads to age-dependent neuronal loss. Given all the above, concentrated effort has been focused on the identification of regulatory mechanisms that control APP cleavage and are involved in Aβ production, on proteases with the capacity to degrade Aβ, as well as on neuroprotective factors. A large body of literature indicates that alterations in cholesterol levels affect APP metabolism. Moreover, cholesterol is the major lipid constituent of the detergent resistant cholesterol-rich membrane domains (DRMs or rafts). The functional significance of DRM domains has been shown in cellular trafficking and in signaling events. The disorganization of DRM due to low cholesterol levels have been described in the hippocampus and cortex of a significant number of AD patients. In addition, DRMs are important to restrict APP β-cleavage and reduce Aβ production in primary neurons in culture. Consistently, these alterations also result in diminished activity of the Aβ degrading enzyme plasmin, which is normally produced in these domains. The majority of studies exploring the biological function of DRMs have been based on pharmacological approaches utilizing drugs that diminish cholesterol or sphingolipids, or based on modifications of DRM proteins in cultured cells. The functions of DRMs in living animals, however, have not yet been shown. It is especially not known how changes in cholesterol levels and distribution affect DRM dependent functions, such as APP processing in vivo. Seladin-1 (the selective Alzheimer's disease indicator-1), encoded by a single gene (DHCR24) on chromosome 1, is an evolutionary conserved gene whose product catalyzes the reduction of the Δ24 double bond of sterol intermediates leading to cholesterol production. It was shown that seladin-1 levels are lower in affected neurons in AD, suggesting that seladin-1 levels may influence the selective vulnerability of neurons in AD. Overexpression of seladin-1 in vitro protected cells from apoptosis induced by oxidative stress and high expression of endogenous seladin-1 was associated with resistance against Aβ-induced toxicity. Moreover, functional expression of seladin-1 resulted in the inhibition of caspase 3 activation after either Aβ- mediated toxicity or oxidative stress and protected the cells from apoptotic cell death. Deficiency in the Dhcr24 gene causes a severe autosomal recessive disorder characterized by elevated levels of the cholesterol precursor desmosterol in plasma. Seladin-1 knock-out mice are viable, although almost no cholesterol was detected in plasma and tissue of these animals. This study gives insight into the role of seladin-1 in neuroprotection, regulation of cholesterol levels and cholesterol-mediated functions in vitro and in vivo. We show that seladin-1 expression modulates APP processing and Aβ generation in vivo. We substantiated the anti-apoptotic function of seladin-1 in human neuroblastoma cells and show for the first time that elevated seladin-1 expression increases the levels of cellular and membrane cholesterol and therefore affects the distribution and function of rafts in these cells. Furthermore, we demonstrate that the overexpression of seladin- 1 leads to reduced amyloidogenic APP processing and decreased generation of the Aβ peptide. In contrast, decreased seladin-1 expression in mouse brain resulted in lower loss participates in the pathogenesis of AD. Because of its role in cholesterol synthesis and neuroprotection, increasing seladin-1 activity in CNS neurons may therefore represent a putative therapeutical target for AD treatment. abcxyz

Abstract

Die Alzheimer Krankheit ist eine der häufigsten Formen von seniler Demenz bei älteren Menschen. Sie ist durch den Verlust von Gedächtnis und anderen kognitiven Funktionen gekennzeichnet, welcher wiederum auf den Verfall von Nervenzellen zurückzuführen ist. Bisher gibt es noch keine eindeutige Erklärung für diesen zahlreichen Zerfall der Neurone, doch scheint unter anderem die vermehrte Ablagerung von abnormalen Proteinen die Ursache hierfür zu sein. Diese bestehen teilweise aus extra- und intrazellulärem β-amyloid (Aβ), dem Spaltprodukt des Vorläuferproteins (APP). Aβ reichert sich im Krankheitsfall zu Plaques an und ist schädlich für die Nervenzellen. Zum anderen finden sich in Gehirnen von Alzheimer Patienten intrazelluläre Anreicherungen von so genannten "tangles", das sind hyperphosphorylierte Formen des Zellgerüst-assoziierten Proteins Tau. In ca. 10% der Alzheimer Fälle wird die Krankheit durch Genveränderungen ausgelöst. In dieser familiären Form der Erkrankung treten die klinischen Zeichen und neuropathologischen Veränderungen bereits in jüngeren Jahren auf. Der wichtigste Risikofaktor für die spontane Form der Alzheimer Krankheit ist eine Genvariante des Proteins Apolipoprotein E, welches am Transport von Cholesterin im Blut beteiligt ist. Tierstudien legen ebenfalls einen Zusammenhang zwischen hoher Cholesterin- Aufnahme und der Entwicklung einer Alzheimer Krankheit nahe. Cholesterin ist ein wichtiger Baustein von Zellmembranen. Innerhalb der Membran existieren flossartige Strukturen, die sogenannten "rafts", welche von Cholesterin zusammengehalten werden. Diese "rafts" spielen eine wichtige Rolle bei der Übermittlung von Signalen und werden ausserdem mit der Prozessierung von APP in Zusammenhang gebracht. Seladin-1 ist ein Protein aus der Familie der Flavin-Adenin-Dinukleotid-abhängigen Oxidoreduktasen und ein wesentliches Enzym im Cholesterinstoffwechsel. Seladin-1 wurde vor einigen Jahren im Rahmen einer Studie entdeckt, in welcher erkrankte Hirnregionen von Alzheimer Patienten mit gesunden Bereichen verglichen wurden. In den kranken Regionen ist das Expressionsniveau von Seladin-1 signifikant geringer, weshalb es auch der selektive Alzheimer's Disease Indikator -1 genannt wird. In der vorliegenden Studie wurde die Rolle von Seladin-1 während des programmierten Zelltods (Apoptose) und bezüglich des Cholesterinstoffwechsels näher untersucht. Wir konnten zeigen, dass die Überexpression von Seladin-1 Zellen resistenter gegen Apoptose macht und zu einer Zunahme der Cholesterinkonzentration in der Membran führt. Letzteres resultierte in einer massgeblichen Beeinflussung der Zusammensetzung und Funktion der "rafts". Ebenso konnten wir darlegen, dass höhere Seladin-1- und Cholesterinspiegel die Prozessierung von APP und damit die Aβ Produktion hemmen. Im Gegensatz dazu zeigten Seladin-1 defiziente Mäuse geringere Cholesterinkonzentrationen in der Membran und eine erhöhte Aβ Bildung. Diese Ergebnisse zeigen zum ersten Mal, dass die Modifizierung der Seladin-1 Expression, und damit einer endogenen Komponente, zu einer Veränderung der Cholesterinkonzentration führen kann und dass Seladin-1 ein essentieller Regulator der Zusammensetzung und der Funktion von "rafts" ist. Das Resultat, dass die Erhöhung von Seladin-1 die Aβ Bildung reduziert, weist Seladin-1 als möglichen therapeutischen Angriffspunkt in der Alzheimer Behandlung aus.

Accumulation of amyloid-β peptides (Aβ) in the CNS is an invariant feature of the pathophysiology of Alzheimer's disease (AD), the most common form of dementia. Aβ peptides are derived from proteolytic cleavage of the amyloid precursor protein (APP) with the β-secretase cleaving at the N terminus and the γ-secretase(s) at the C terminus of Aβ peptides. Accumulation of Aβ in the brain has a fundamental role in AD-pathology including the induction of tau phosphorylation and neurofibrillary tangle formation, deficits in synaptic transmission and synaptotoxicity, and leads to age-dependent neuronal loss. Given all the above, concentrated effort has been focused on the identification of regulatory mechanisms that control APP cleavage and are involved in Aβ production, on proteases with the capacity to degrade Aβ, as well as on neuroprotective factors. A large body of literature indicates that alterations in cholesterol levels affect APP metabolism. Moreover, cholesterol is the major lipid constituent of the detergent resistant cholesterol-rich membrane domains (DRMs or rafts). The functional significance of DRM domains has been shown in cellular trafficking and in signaling events. The disorganization of DRM due to low cholesterol levels have been described in the hippocampus and cortex of a significant number of AD patients. In addition, DRMs are important to restrict APP β-cleavage and reduce Aβ production in primary neurons in culture. Consistently, these alterations also result in diminished activity of the Aβ degrading enzyme plasmin, which is normally produced in these domains. The majority of studies exploring the biological function of DRMs have been based on pharmacological approaches utilizing drugs that diminish cholesterol or sphingolipids, or based on modifications of DRM proteins in cultured cells. The functions of DRMs in living animals, however, have not yet been shown. It is especially not known how changes in cholesterol levels and distribution affect DRM dependent functions, such as APP processing in vivo. Seladin-1 (the selective Alzheimer's disease indicator-1), encoded by a single gene (DHCR24) on chromosome 1, is an evolutionary conserved gene whose product catalyzes the reduction of the Δ24 double bond of sterol intermediates leading to cholesterol production. It was shown that seladin-1 levels are lower in affected neurons in AD, suggesting that seladin-1 levels may influence the selective vulnerability of neurons in AD. Overexpression of seladin-1 in vitro protected cells from apoptosis induced by oxidative stress and high expression of endogenous seladin-1 was associated with resistance against Aβ-induced toxicity. Moreover, functional expression of seladin-1 resulted in the inhibition of caspase 3 activation after either Aβ- mediated toxicity or oxidative stress and protected the cells from apoptotic cell death. Deficiency in the Dhcr24 gene causes a severe autosomal recessive disorder characterized by elevated levels of the cholesterol precursor desmosterol in plasma. Seladin-1 knock-out mice are viable, although almost no cholesterol was detected in plasma and tissue of these animals. This study gives insight into the role of seladin-1 in neuroprotection, regulation of cholesterol levels and cholesterol-mediated functions in vitro and in vivo. We show that seladin-1 expression modulates APP processing and Aβ generation in vivo. We substantiated the anti-apoptotic function of seladin-1 in human neuroblastoma cells and show for the first time that elevated seladin-1 expression increases the levels of cellular and membrane cholesterol and therefore affects the distribution and function of rafts in these cells. Furthermore, we demonstrate that the overexpression of seladin- 1 leads to reduced amyloidogenic APP processing and decreased generation of the Aβ peptide. In contrast, decreased seladin-1 expression in mouse brain resulted in lower loss participates in the pathogenesis of AD. Because of its role in cholesterol synthesis and neuroprotection, increasing seladin-1 activity in CNS neurons may therefore represent a putative therapeutical target for AD treatment. abcxyz

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Sonderegger P, Jiricny J, Mohajeri M H
Communities & Collections:04 Faculty of Medicine > Institute for Regenerative Medicine (IREM)
UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:610 Medicine & health
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2005
Deposited On:07 Sep 2011 11:45
Last Modified:24 Sep 2019 17:39
Number of Pages:111
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod005109761&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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