The role of autophagy in Alzheimer disease: from cellular mechanisms to systems proteomics

Abstract

I am interested in inflammation and protein aggregation in neurodegenerative diseases. I pursued three main questions during my PhD project in the Wyss- Coray lab: Does autophagy contribute to the metabolism of Amyloid Precursor Protein (APP) in the brain? Does autophagy activity play a role in Alzheimer Disease (AD) pathology? And how does inflammation and cellular communication influence dementia pathology in humans? My PhD project is based on the discovery that Beclin 1 (BECN1), a protein involved in autophagy initiation, is selectively reduced in AD patients' cortex. We created an AD mouse model with reduced BECN1 levels and observed significantly enhanced deposition of Aβ plaques, increased microglia activity, and increased neuronal loss (Pickford et al., 2008). Next, I established various cell culture models of BECN1 deficiency and overexpression (using siRNA and Lentivirus) and demonstrated that BECN1 regulates APP levels through autophagy. Accordingly, I found that enhancing autophagosomal turnover through starvation or pharmacological treatments reduced levels of APP and its metabolites (Jaeger et al., 2010). To explore how systemic inflammatory, immune signaling, and cellular communication factors modulate neuronal processes (and potentially autophagy) in neurological disorders we developed an antibody-based protein microarray technique to simultaneously measure hundreds of plasma based communication factors (chemokines, cytokines, growth factors, neurotrophins etc.) in blood from human dementia patients and unaffected controls. I adapted existing genomics tools and developed novel data extraction, data handling, and analytical methods to interpret the plasma proteomics data. I discovered a significant de-regulation of a variety of important biological pathways such as TNF-α or TGF-β signaling (Jaeger et al., manuscript in preparation). Based on my findings, our laboratory will now continue to explore potential candidate pathways that might underlie the observed de-regulation of brain autophagy in AD, both on a cellular and a systemic level.

Während meiner Doktorarbeit lag der Schwerpunkt meines wissenschaftlichen Interesses bei der Erforschung schädlicher Protein-Aggregate und von Entzündungsstoffen, und deren Rolle bei der Entstehung neurodegenerativer Erkrankungen. Drei zentrale Fragen haben mich dabei beschäftigt: Spielt die Autophagie bei der Verstoffwechslung des Amyloid-Vorläufer Proteins (APP) im Gehirn eine Rolle? Hat die Aktivität der Autophagie einen Anteil an der Entstehung der Alzheimer Erkrankung? Und was für ein Zusammenhang besteht zwischen einer fortschreitenden, systemweiten Entzündungs-Reaktion, intrazellulärer Kommunikation und der Alzheimer Erkrankung im Menschen? Meine Doktoarbeit basiert auf der Entdeckung, dass Beclin 1 (BECN1), ein Protein, das eine wichtige Rolle bei der Initiation von Autophagie spielt, im Cortex von Alzheimer Patienten reduziert zu sein scheint. Unser Labor entwickelte daraufhin ein Alzheimer-Maus-Modell mit reduzierter BECN1 Expression und stellte fest, dass diese Mäuse unter erhöhter Ablagerung von Aβ Plaques, erhöhter Aktivität von Mikroglia und fortgeschrittenem Verlust von Nervenzellen leiden (Pickford et al., 2008). Um den Zusammenhang zwischen BECN1, Autophagie und Alzheimer Erkrankung besser zu verstehen, habe ich daraufhin eine Reihe verschiedener Zellkultur-Experimente entwickelt. Verringerung und Über-Exprimierung von BECN1 durch siRNA Plasmide und Lenti- Virus Partikel haben mir geholfen aufzuzeigen, dass der zelluläre APP Gehalt tatsächlich durch Autophagie reguliert werden kann. Dementsprechend kann APP gezielt abgebaut und eine Aβ-Ansammlung verringert werden, wenn man Autophagie entweder durch Nährstoffs-Entzug oder durch Pharmaka künstlich aktiviert (Jaeger et al., 2010). Um der Frage nachzugehen, wie Entzündungsstoffe, Immunsignale und zelluläre Kommunikations-Faktoren während einer neurodegenerativen Erkrankung die Vorgänge (u.U. auch die Autophagie) in Nervenzellen beeinflussen, hat unser Labor einen speziellen antikörper- basierten Biochip entwickelt. Mit diesem Biochip sind wir in der Lage, hunderte verschiedener Kommunikations-Faktoren (z.B. Chemokine, Zytokine, Wachstumsfaktoren, Neurotrophine usw.) in Blut-Plasma-Proben demenz-erkrankter Patienten oder gesunder Probanden zu messen. Basierend auf diesem Chip-Design habe ich neuartige Methoden zur Daten-Extraktion, Daten-Analyse und Daten- Interpretation entwickelt. Dabei habe ich eine signifikante Deregulation in verschiedenen Signal-Kaskaden entdeckt, wie zum Beispiel in der TNF-α oder der TGF-β Kaskade (Manuskript in Vorbereitung). Unser Labor ist nun damit beschäftigt, diese potenziellen Signal-Kaskaden weiter zu erforschen, und zu überprüfen, welche bei der beobachteten Reduktion der Autophagie beteiligt sein könnten.