Analysis of Seladin-1 role in apoptosis and cholesterol metabolism

Die Alzheimer Krankheit ist eine der haufigsten Formen von seniler Demenz bei alteren Menschen. Sie ist durch den Verlust von Gedachtnis und anderen kognitiven Funktionen gekennzeichnet, welcher wiederum auf den Verfall von Nervenzellen zuruckzufuhren ist. Bisher gibt es noch keine eindeutige Erklarung fur diesen zahlreichen Zerfall der Neurone, doch scheint unter anderem die vermehrte Ablagerung von abnormalen Proteinen die Ursache hierfur zu sein. Diese bestehen teilweise aus extra- und intrazellularem β-amyloid (Aβ), dem Spaltprodukt des Vorlauferproteins (APP). Aβ reichert sich im Krankheitsfall zu Plaques an und ist schadlich fur die Nervenzellen. Zum anderen finden sich in Gehirnen von Alzheimer Patienten intrazellulare Anreicherungen von so genannten "tangles", das sind hyperphosphorylierte Formen des Zellgerust-assoziierten Proteins Tau. In ca. 10% der Alzheimer Falle wird die Krankheit durch Genveranderungen ausgelost. In dieser familiaren Form der Erkrankung treten die klinischen Zeichen und neuropathologischen Veranderungen bereits in jungeren Jahren auf. Der wichtigste Risikofaktor fur 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 Ubermittlung 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-abhangigen 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 wahrend des programmierten Zelltods (Apoptose) und bezuglich des Cholesterinstoffwechsels naher untersucht. Wir konnten zeigen, dass die Uberexpression von Seladin-1 Zellen resistenter gegen Apoptose macht und zu einer Zunahme der Cholesterinkonzentration in der Membran fuhrt. Letzteres resultierte in einer massgeblichen Beeinflussung der Zusammensetzung und Funktion der "rafts". Ebenso konnten wir darlegen, dass hohere Seladin-1- und Cholesterinspiegel die Prozessierung von APP und damit die Aβ Produktion hemmen. Im Gegensatz dazu zeigten Seladin-1 defiziente Mause geringere Cholesterinkonzentrationen in der Membran und eine erhohte Aβ Bildung. Diese Ergebnisse zeigen zum ersten Mal, dass die Modifizierung der Seladin-1 Expression, und damit einer endogenen Komponente, zu einer Veranderung der Cholesterinkonzentration fuhren kann und dass Seladin-1 ein essentieller Regulator der Zusammensetzung und der Funktion von "rafts" ist. Das Resultat, dass die Erhohung von Seladin-1 die Aβ Bildung reduziert, weist Seladin-1 als moglichen 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 D24 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