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PROTEINA PRECURSORE β – AMILOIDE (APP): UNA VISIONE DINSIEME Secreted APP regulates the function of full-length APP in neurite outgrowth through interaction.

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1 PROTEINA PRECURSORE β – AMILOIDE (APP): UNA VISIONE DINSIEME Secreted APP regulates the function of full-length APP in neurite outgrowth through interaction with integrin beta1 Research article Tracy L Young-Pearse, Allen C Chen, Rui Chang, Cesar Marquez and Dennis J. Selkoe Center for Neurologic Diseases, Brigham and Women's Hospital and Harvard Medical School, Boston, MA 02115, USA Published: 23 June 2008 Neural Development 2008, VITO MARIA BUONOMENNA FEDERICA SARACENO

2 STRUTTURA E FUNZIONI APP ANALISI E DATI SPERIMENTALI ALTERAZIONI PATOLOGICHE

3 STRUTTURA & FUNZIONI

4 La proteina precursore dellamiloide (APP) È una glicoproteina di membrana di tipo I Codificata da un gene localizzato sul braccio lungo del cromosoma 21 Identificata nel 1987

5 APP è espressa in tre isoforme costituite rispettivamente da 695, 751 e 770 amminoacidi. È localizzata sulla membrana plasmatica dei dendriti, del corpo e degli assoni sia di cellule neuronali che di quelle gliali

6 La forma matura, dalle membrane del golgi, raggiunge la membrana celullulare (step 1) Dalla membrana plasmatica viene internalizzata con vescicole endocitiche (step 2) Nellendosoma viene o reciclata e ripresentata in membrana o degradata tramite enzimi idrolitici (step 3) Traffico intracellulare di APP

7 LAPP svolge alcune funzioni come proteina intatta e ne svolge altre quando è ridotta in frammenti. Il clivaggio della proteina avviene attraverso tre specifiche proteasi, su determinate sequenze sia sul dominio intracitoplasmatico che extracellulare

8 Lenzima maggiormente coinvolto fisiologicamente nella processazione di APP è l α-secretasi appartenente alla famiglia ADAM ( A Disintegrin and Metallopeptidase). Tale famiglia di enzimi tagliano specifiche sequenze dellintera glicoproteina portando al rilascio di un frammento extracellulare che prende Il nome di frammento α della proteina amiloidea (APPα)

9 Le α-secretasi non sono gli unici enzimi che possono mediare il clivaggio di APP, anche le β-secretasi e le γ-secretasi hanno la medesima funzione. Il taglio effettuato da questultimo enzima porta alla formazione di frammenti amiloidogenici coinvolti nelleziogenesi di alcune patologie tra cui le sindromi di Alzheimer ( AD)

10 APP e APPα hanno un ruolo centrale nel controllo della crescita neuronale. Numerosi esperimenti dimostrano che la lunghezza del neurite dipende da un fine equilibrio tra APP ed il suo frammento. La proteina integra inibisce leccessiva crescita dellassone mentre APPs α si oppone allattività di APP

11 La proteina precursore dellamiloide puà regolare la crescita assonale tramite lintegrazione con unintegrina di membrana. LItg 1 attiva una cascata di segnali intracellulari che aumentano la crescita del neurite.

12 La funzione di APP è quella di inibire lattività dellintegrina tramite un interazione omotipica attraverso uno specifico dominio di legame (NPXY). APPs-α può competere con APP impedendo il legame con lintegrina β1 e quindi favorendo la crescita dellassone

13 AICDAICD APP APP Fe 65 Linterazione tra APP e lintegrina β1 è mediata da una proteina adattarice Fe65 che trasporta il dominio AICD nel nucleo, il quale regola la trascrizione genica di molecole per il citoscheletro, con implicazione nella crescita assonale

14 ANALISI & DATI SPERIMENTALI

15 Cellule corticali di topi knock out per APP presentano assoni più lunghi

16 small harpin RNA (shRNA) sono sequenze di RNA che, curvandosi, formano una struttura che ricorda una forcina. Vengono solitamente utilizzati per il silenziamento dell'espressione genica attraverso l'attivazione della RNA interference.

17 Nellimmagine F è mostrata lelettroporazione in vivo di neuroni di controllo trasfettati con GFP Nellimmagine E è mostrata lelettroporazione in vivo di neuroni trasfettati sia con GFP che con shRNA.

18 Per dimostrare il legame tra APP e Itg β1 è stato utilizzata limmunoprecipitazione.

19 Apoptosi e stress ossidativo Processi infiammatori Formazione di fibrille di amiloide

20 La sintesi e laccumulo di frammenti del peptide Aβ nella matrice extracellulare in specifiche aree encefaliche porta alla formazione delle cosiddette placche senili: formazioni di fibrille amiloidee costituite da aggregati del peptide Aβ disposti in foglietti pieghettati con disposizione antiparallela Fibrille di amiloide sono state osservate anche disposte intorno ai capillari cerebrali disponendosi in una caratteristica struttura granulare.

21 Placche neurofibrillari Placche senili Placche senili disposte intorno a capillari. (Fissate con blu di toluidina)

22 Il core delle placche senili risulta essere estremamente resistente a proteolisi di potenti caotropici. In queste strutture sono presenti frammenti Aβ, che costituiscono circa il 50-60% di questi ammassi fibrillari; sono presenti inoltre glicoproteine e glicolipi che rendono ulteriormente insolubili queste strutture. Oltre alla stabilità intrinseca di Aβ N-42, laccumulo di dimeri e tetrameri incorporati essi stessi in filamenti di β amiloide aumenta la resistenza alla degradazione proteolitica. Inoltre la presenza di modifiche post- trasduzionali (isomerizzazione, ciclizzazione ed ossidazione) contribuisce allaumento dellinsolubilità..

23 Gli enzimi coinvolti nel taglio proteolitico della proteina di membrana APP sono: α-secretasi β-secretasi γ-secretasi

24 La β-Secretasi, detta anche BACE 1 ( β-site of APP cleaving enzyme) o memapsina-2, è una aspartato proteasi acida importante nella patogenesi dellAD. É una proteina trasmembrana codificata dal h 11 q 23.3 sul cromosoma 11. BACE viene codificata anche da un secondo gene presente sul cromosoma 21 (BACE2) implicato probabilmente nella sindrome di Down. BACE1 è una proteina di membrana espressa sia in cellule neuronali che gliali. È localizzata prevalentemente nellE.R. e nel trans-Golgi, come pro-enzima. La sua attivazione avviene mediante fosforilazione e attraverso il traffico intracellulare raggiunge la membrana plasmatica dove esplica la funzione maggiormente nota, il taglio proteolitico di APP su specifici amminoacidi (Asp+1 – Glu+11) formando il frammento solubile β-42 ed il C-99 BACE

25 È stato dimostrato come lenzima maggiormente coinvolto nella produzione del peptide β-42 sia proprio BACE1. BACE 1 sicuramente presenta altri target oltre APP, ma lindividuazione dei ruoli fisiologici di BACE1 è ancora in certa. Sicuramente in soggetti affetti da AD lespressione di questo enzima aumenta notevolmente. Un ipotesi plausibile di tale espressione potrebbe consistere in: Attività di base di BACE1 Quantità minime di β39-42 Processi infiammatori cronici Mancata clearence Accumulo β- 42 Aumento dellespressione Placche senili & fibrille di amiloide

26 Γ-secretasi è un complesso proteolitico costituito da quattro proteine di membrana (Presenil, Nicastrin, APH-1, PEN2 ) la prima sembra presentare attività enzimatica. Se per BACE1 lattività enzimatica ed il suo contributo nella patogenesi di placche di amiloide non è ancora del tutto chiara, nonostante lenorme interesse che essa suscita, a maggior ragione lattività ed i pathway del complesso di γ-secretasi sono ancora oscuri. Sicuramente essa agisce secondariamente agli altri due enzimi precedenti ed è coinvolta nel taglio del frammento C99, rilasciando un breve frammento membranario ed un frammento intracellulare, cosiddetto NICD (Notch IntraCellular Domain ). Tale frammento, attraverso il pathway di segnalazione di Notch, attiva programmi di trascrizione genica. Mutazioni a caricodel gene della presenilin 1 sembrano causare forme ereditarie di Sindrome di Alzheimer (FAD)

27 Amiloide e morte cellulare Cellule IMR32 senza trattamento Aβ42 (12.5 μg/ml), 3.91% apoptotiche; 39.3 necrotiche (50 μg/ml), apoptotic, necrotic, 55.32%, 26.75%, Tatsuo Yamada et al. Elena Tamagno et al. Cellule in coltura con frammenti Aβ41-42 rilasciano h202 Cellule in coltura con frammenti Aβ41-42 rilasciano 4-hydroxynonenal (HNE ), Experimental Neurology 196 (2005) Free Radical Biology & Medicine, Vol. 35, 2003

28 Quali segnali sono coinvolti? H2O2 HNE etc A β SAPK JNK3 c - Jun Fos AP1 L Fas Fas L Fas FADD DISC Caspase 8 APOPTOSI

29 Il peptide Aβ42, citochine pro-infiammatorie e ROS, ad alte concentrazione, possono indurre stress ossidativo e attraverso le SAPKs (Stress Activated Protein Kinase, attivare il pathway di JNK3/c-Jun. JNK3/c-Jun determina il reclutamento di regolatori della trascrizione genica che inducono un aumento dellespressione di Fas Ligand. Tale proteina legandosi al recettore Fas attiva la via estrinseca di morte programmata formando il complesso DISC (death-inducing signaling complex) che attiva la caspasi 8 e linizio della cascata pro apoptotica. 1 1 Amyloid Induces Neuronal Apoptosis Via a Mechanism that Involves the c-Jun N-Terminal Kinase Pathway and the Induction of Fas Ligand. Yoshiyuki Morishima et al. The Journal of Neuroscience, October 1, 2001, 21(19):7551–7560

30 PROCESSI INFIAMMATORI Le patologie neurodegenerative sono associate ad una risposta immunitaria innata consistente nellattivazione delle cellule della microglia. Il peptide Aβ può interagire direttamente con i recettori delle cellule della microglia, tra cui RAGE (Receptor for Avanded Glycation End product), scavenger receptor CD36. Il peptide Aβ può interagire anche con componenti del complemento. Lattivazione della microglia comporta il rilascio di fattori solubili, induzione della chemotassi, della clearence e della degradazione dei frammenti di Aβ

31 1)Reclutamento microglia 2)Attivazione fagocitosi 3)Rilascio citochine pro- infiammatorie 4)Degradazione β- amiloide Studi su topi transgenici per PS1-APP hanno dimostrato come laumento della vita media delle cellulle della microglia porti ad una progressiva riduzione dellespressione di scavenger receptor, CD 36, RAGE ed enzimi di degradazione. Altresì rimane inalterata lespressione di molecole pro – infiammatorie

32 … Inoltre PGE2 stimola la produzione del peptide Aβ. Linterazione tra PGE2 ed i suoi recettori EP2 ed EP4 comporta l internalizzazione di PS-1 e la co-localizzazione con gli stessi recettori, che portano ad un aumento di PKA e cAMP che sembrano agire sulla stessa subunità catalitica della γ-secretasi aumentando la produzione del peptide Aβ e indirettamente lespressione di geni coinvolti nella sua produzione.

33 Cellule della microglia e asctrociti, In risposta alle placche di amiloide, producono numerose componenti della cascata del complemento. Lattivazione del complemento sembra avere un ruolo protettivo nei confronti della β–amiloide. In modelli di topo APP transgenici è stata osservata la sovraespressione di sCrry che inibisce la formazione delle C3 convertasi. sCrry è una proteina regolatrice del complemento roditori specifica. Nelluomo presenta due proteine omologhe : La proteina cofatorriale di membrana (MCP) ed il fattore accelerante il degrado (DAF)

34 In conclusione… La sintesi di frammenti di Aβ sembra essere un evento fisiologico coinvolto nei fenomeni di aging. Laccumulo di tali frammenti nella matrice extracellulare ed una progressiva diminuzione dellattività della microglia porta alla formazione di placche di amiloide e placche senili, che per le loro caratteristiche chimico – fisiche risultano essere insolubili, difficili da fagocitare e tossiche per le cellule neuronali. In questo contesto sembra avere un ruolo chiave la microglia, in quanto generalmente è responsabile della clearence di frammenti di Aβ. Quando l attività viene alterata, essa induce, attraverso il rilascio di molecole pro – infiammatorie, un processo infiammatorio cronico che aggrava e accelera il processo neurodegenerativo

35 GRAZIE PER LATTENZIONE References Regulation of Amyloid-Protein Precursor by Phosphorylation and Protein Interactions, - Suzuki et al. the journal of biological chemistry Secreted APP regulates the function of full-length APP in neurite outgrowth through interaction with integrin beta1- Selkoe D. et al. Neuronal Development 2008, The -Secretase Enzyme BACE in Health and Alzheimers Disease: Regulation, Cell Biology, Function, and Therapeutic Potential- Vassar R. et al. - The Journal of Neuroscience, 2009 Toward Structural Elucidation of the g-Secretase Complex - Selkoe D. et al. Structure Multiple signaling events in amyloid -induced, oxidative stress-dependent neuronal apoptosis - Tamagno E. et al. Free Radical Biology & Medicine Amyloid Induces Neuronal Apoptosis Via a Mechanism that Involves the c-Jun N-Terminal Kinase Pathway and the Induction of Fas Ligand – Morishima et al. The Journal of Neuroscience, 2001, The amyloid precursor protein intracellular domain (AICD) as modulator of gene expression, apoptosis, and cytoskeletal dynamicsRelevance for Alzheimers disease - Muller T. et al. Progress in Neurobiology, 2008 S


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