CC BY
89
*
БОЛЕЗНИ ЗРЕЛОГО ВОЗРАСТА
© С.В Саранцева1,
A.Л. Шварцман12
'Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН; Санкт-Петербург, Гатчина 2Институт экспериментальной медицины РАМН; Санкт-Петербург
В настоящем обзоре рассмотрены современные представления о клеточных функциях АРР и пресе-нилинов и роли этих белков в нарушении клеточных процессов при БА. Особое внимание уделено использованию модельных систем Drosophila melanogaster, которые внесли значительный вклад в новые представления о патогенезе БА.
Ключевые слова: болезнь Альцгеймера; Drosophila melanogaster; APP; пресенилин; амилоид-бета-протеина (AP)
БОЛЕЗНЬ АЛЬЦГЕЙМЕРА —
АМИЛОИДОЗ ИЛИ ДИСФУНКЦИЯ СИНАПСОВ? УРОКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА DROSOPHILA MELANOGASTER
КОНФОРМАЦИОННЫЕ БОЛЕЗНИ И ИХ ИССЛЕДОВАНИЕ НА МОДЕЛИ DROSOPHILA MELANOGASTER
Накопление внутриклеточных или экстраклеточных белковых агрегатов, отмеченное при различных нейродегенеративных заболеваниях, позволило выделить их в особый класс заболеваний, получивших название «конформационные болезни». К ним относятся, в первую очередь, такие широко распространенные заболевания, как болезнь Альцгеймера (БА), болезнь Паркинсона, болезнь Гентингтона, прионные болезни, фронтотемпоральная деменция, различные формы амилоидозов [5, 6, 52, 56]. Хотя накоплению токсических белковых продуктов отводится центральная роль в патогенезе этих заболеваний, целый ряд исследований, проведенных в последнее время на различных трансгенных организмах, показывает, что в основе хорошо известных патологических изменений для ряда заболеваний может лежать сложная комбинация доминантных «loss-of-function» и «gain-of-function» эффектов. В дальнейшем мы будем пользоваться этими общепринятыми терминами, обозначающими потерю или приобретение новых функций, как на уровне отдельных белков, так и на уровне клеточных функций. К этим заболеваниям, в первую очередь, относятся БА и болезнь Паркинсона. Одним из наиболее интересных подходов к исследованию генетических форм конформационных болезней явилось моделирование заболеваний на плодовой мушке Drosophila melanogaster. Использование моделей Drosophila позволяют избежать таких ограничений, возникающих в работе с человеческим материалом, как неполные родословные, генетическая гетерогенность популяции, длительность сбора образцов. Расшифровка геномов человека и дрозофилы показала, что более 50 % генов Drosophila melanogaster имеют гомологов у человека, и в то же время не менее 60—70% генов наследственных болезней человека имеют своих двойников у Drosophila [17, 42, 47]. Поэтому при работе с различными моделями заболеваний на Drosophila прямое исследование мутантного белка может в значительной степени характеризовать его участие в патогенезе заболевания у человека. Более того, использование трансгенной технологии позволяет создавать линии, несущие гены человека, и использовать их для модуляции конкретных физиологических механизмов. С другой стороны, генетические эксперименты с выключением генов могут быть основой для определения неизвестных клеточных функций белков, вовлеченных в развитие патологического процесса. В настоя-
щем обзоре мы останавливаемся на изучении наследственных форм БА с использованием различных моделей, созданных на основе трансгенных организмов. Именно эти модели позволили пересмотреть не только сложившиеся догмы в отношении БА, но и вплотную подойти к пониманию молекулярных механизмов, лежащих в основе этого сложного заболевания.
НАСЛЕДСТВЕННЫЕ ФОРМЫ БОЛЕЗНИ АЛЬЦГЕЙМЕРА И ГИПОТЕЗА «АМИЛОИДНОГО КАСКАДА»
Болезнь Альцгеймера представляет собой наиболее распространенную форму первичных нейродегенератив-ных заболеваний, которая характеризуется прогрессирующей потерей памяти, расстройством речи, распадом интеллекта и психической деятельности [11]. В большинстве развитых стран БА страдает 10—15 % населения в возрасте свыше 65 лет [16]. Подавляющее количество случаев БА являются спорадическими и не носят наследственного характера. Семейные формы (начало БА в возрасте 40 — 55 лет) характеризуются аутосомно-доминантным типом наследования и составляют лишь небольшую часть (до 10 %) патологии [25].
Хотя основные патологические характеристики БА в мозге больных (образование внутриклеточных нейро-фибриллярных клубков и экстраклеточных амилоидных отложений) хорошо известны, тем не менее, в настоящее время нет достаточно убедительных экспериментальных фактов о том, каким образом эти процессы связаны с гибелью нейронов и потерей синапсов, единственных показателей, коррелирующих с развитием деменции [57].
Два основных альтернативных механизма заболевания, дискутируемые на протяжении более чем 10 лет, связаны с двумя белками, нарушение обмена которых может приводить к развитию заболевания: амилоид-бета протеином (АР), являющимся главным компонентом амилоидных бляшек, и тау-протеином, образующим внутриклеточные нейрофибриллярные клубки. Несмотря на то что в литературе существует значительное количество данных о том, что основным процессом, вызывающим гибель нейронов при БА, является образование внутриклеточных нейрофибриллярных клубков [2, 3, 58], большинство исследователей придерживаются альтернативной гипотезы «амилоидного каскада» [9, 25]. Основными доказательствами этой гипотезы являются генетические данные о том, что семейные формы БА, обусловлены мутациями в генах белков, непосредственно участвующих в генерации основного компонента амилоидных бляшек — Ар.
В настоящее время идентифицировано три гена, мутации в которых приводят к развитию семейных форм БА: на 21-й хромосоме локализован ген белка-пред-
шественника Ар, получивший название АРР (аббревиатура, amyloid protein precursor); на 14-й — ген пресенилина-1 (PS-1) и на 1-й хромосоме — ген пре-сенилина-2 (PS-2) [45, 50]. Пресенилины входят в состав мембранных комплексов, ответственных за про-теолитический процессинг АРР и, таким образом, все три белка непосредственно участвуют в образовании Ар. Согласно гипотезе «амилоидного каскада» мутации в АРР или пресенилинах изменяют протеолитический процессинг АРР таким образом, что увеличивается секреция Ар, содержащего 42 аминокислоты. Именно эта форма Ар, характеризуется повышенной нейротоксичностью и является первичным агентом обусловливающим всю цепочку патологических изменений в мозге больных, включая ранние нарушения синаптической функции, агрегацию Ар, образование амилоидных бляшек, гиперфосфорилирование тау, формирование ней-рофибриллярных клубков и гибель нейронов [25].
Хотя многочисленные литературные данные могут косвенно поддерживать это положение, существует ряд ключевых экспериментов, показывающих, что патологические процессы при БА нельзя объяснить лишь повышенной секрецией амилоидогенных видов Ар. Во-первых, ни в одной из АРР-трансгенных моделей Ар-амилоидоза у мышей не отмечено нейрофибрилляр-ной патологии [41], во-вторых, у тройных трансгенов мышей, содержащих одновременно мутации в PS-1 (M146V), APP (APPSwe) и тау (P301L), нарушение синаптических функций происходило значительно раньше, чем появление амилоидных бляшек или фибриллярных клубков [38]. И, наконец, в АРР-линии трансгенных мышей Tg-swAPP Prp было показано, что дегенерация аксонов и нарушение аксонного транспорта белков происходит значительно раньше, чем возникновение экстраклеточных амилоидных отложений [53]. Нарушение аксонного транспорта и дегенерация аксонов отмечались также и при ранних формах БА в отсутствии ами-лоидоза [53]. Эти результаты послужили основой для выдвижения гипотезы, согласно которой основными патологическими агентами в разобщении синапсов являются растворимые Ар-олигомеры или другие интермедиаты процесса образования амилоидных фибрилл, которые трудно обнаружить на ранних стадиях заболевания [9, 25]. Доказать эту гипотезу, однако, чрезвычайно сложно. Хотя растворимые олигомеры были найдены и на трансгенных моделях, и у больных БА, их содержание не обнаруживало никакой корреляции ни со степенью деменции, ни с уровнем потери синапсов [7, 38].
В то же время приведенные выше результаты не только указывают на то, что амилоидоз и нейрофибрилляр-ная патология могут быть выражены лишь на поздних стадиях БА, но и предполагают роль APP и PS-1 в образовании и поддержании синапсов. В этом случае пер-
вичный эффект мутаций в APP и PS-1 при БА может быть связан именно с нарушением синаптической функции, и лишь на более поздних стадиях заболевания проявляются эффекты, вызванные накоплением Ар и агрегированным тау-протеином. Таким образом, патологический механизм при наследственных формах БА, вызываемый мутациями в АРР, PS-1 и PS-2, может представлять сложную комбинацию «loss-of-function» и «gain-of-function» эффектов. Для ясного понимания этого механизма необходимо, в первую очередь, знание функций его ключевых белков — АРР и пресенилинов, которые были детально изучены на моделях Drosophila melanogaster.
КЛЕТОЧНЫЕ ФУНКЦИИ АРР
АPP является интегральным мембранным белком типа I, который в результате протеолитического альтернативного процессинга расщепляется на несколько небольших пептидов. В протеолитический процессинг АРР вовлечены две мембранные протеазы, названные Р - и у-секретазами. При этом сайт расщепления для g-сек-ретазы расположен непосредственно внутри трансмембранного домена. Третья протеаза, названная a-секре-тазой, которая конкурирует с Р-секретазой за субстрат АРР, может предотвратить образование Ар, расщепляя пептид на два фрагмента. Сайт расщепления АРР у-сек-ретазой приводит к образованию Ар различного размера. При этом пептид, включающий 42 аминокислоты (и реже 43 аминокислоты), является значительно более нейротоксичным, чем пептид, включающий 40 аминокислот [9, 15, 48].
АРР входит в семейство интегральных мембранных белков, в котором помимо АРР представлены также APLP1 и АPLP2, которые обладают высокой степенью гомологии с АРР, но не содержат последовательности АЬ [14, 62, 63]. Хотя клеточные функции АРР семейства до сих пор остаются не вполне понятными, существуют данные о том, что все три белка вовлечены в аксонный транспорт и необходимы для нормального развития нервной системы млекопитающих. При этом в мембранно-связанном состоянии они могут выполнять сигнальную функцию рецепторов в процессе нейрогенеза [15, 64]. Эксперименты на трансгенных животных показали прямое участие АРР в образовании и поддержании синапсов и увеличении синаптической плотности [34, 35, 44].
Значительный прогресс в понимание функций APP был сделан при анализе экспрессии Appl, гомолога APP в Drosophila melanogaster. Appl характеризуется высокой степенью гомологиии с АРР, подвергается аналогичному протеолитическому расщеплению, но не включает последовательностей, необходимых для генерации Ар [29, 46]. В том, что протеолитический про-
цессинг Appl необходим для нормального развития нервной системы, свидетельствовали данные о прогрессирующей нейродегенерации и гибели нейронов у мутанта loechrig Drosophila melanogaste, характеризующегося аномальным обменом холестерина и резким снижением уровня процессируемой секретируемой формы Appl [61].
Выключение Appl гена не приводило к летальному эффекту, но вызывало значительное изменение поведенческих реакций [30]. При этом фенотип мутантов с делетированным Appl полностью совпадал с фенотипом мутантов по аксонному транспорту или мутантов с пониженной экспрессией кинезина-I [23]. Эти результаты могут быть истолкованы в пользу ранее высказанной гипотезы о том, что Appl также как и другие члены АРР-семейства, могут выполнять функцию везикулярного рецептора для основного белка аксонного транспорта — кинезина-I [27] .
Генетические исследования показали, что Appl индуцирует «gain-of-function» Notch-фенотипы у Drosophila аналогично регуляторным эффектам, наблюдаемым у млекопитающих [33]. Notch принадлежит к консервативному семейству трансмембранных рецепторов, контролирующих дифференцировку нервных клеток в эмбриогенезе [26]. В эмбриональных нейронах Notch функционирует как белок клеточной адгезии, вызывающий рост нейритов [20]. Таким образом, функциональное взаимодействие Appl с Notch указывает на участие Appl в эмбриональном развитии нервной системы.
Целый ряд исследований указывает на ключевую роль Appl в формировании и поддержании синапсов у Drosophila. Эксперименты по определению локализации Appl показали значительное обогащение Appl в растущих аксонах и синаптических структурах [59]. Эта же группа исследователей демонстрировала участие Appl в образовании и дифференцировке синапсов на нейро-мышечных контактах [60]. При гиперэкспрессии АРР человека в Drosophila melanogaster он также транспортировался в пресинаптический терминал нейронов и постсинаптический участки нейромышечных контактов [65].
При анализе работ, посвященных исследованию функций АРР-семейства, возникает ощущение, что белки этого семейства вовлечены во множество клеточных процессов, связанных с развитием нервной системы. Такое предположение, конечно же, может иметь место, учитывая, что мембранные белки находятся, как правило, в составе сложных мультифункциональных мембранных комплексов, а их процессированные и секре-тируемые формы могут функционировать независимо от предшественника. В то же время, необходимость определения конкретных физиологических функций АРР стоит особенно остро, поскольку белок связан с одной из
основных патогенетических характеристик БА — образованием Ар. В этой связи эксперименты на Drosophila имеют огромные преимущества перед другими моделями, поскольку позволяют дискриминировать эффекты экзогенного АРР, Appl, не содержащего последовательности Ар и непосредственно АЬ. Именно исследование трансгенных линий Drosophila melanogaster, экспрессирующих различные формы АРР человека, позволило вплотную подойти к пониманию клеточных функций АРР. В работе группы Ренато Паро [18] были проанализированы трансгенные линии Drosophila melanogaster, экспрессирующие различные мутантные формы АРР человека. Сравнивая фенотипы трансгенных мух, авторы пришли к неожиданному и очень важному заключению: трансгенные мухи, экспрессирующие полноразмерные формы АРР, имеют ярко выраженный blistered-wing фенотип. Появление этого фенотипа связано только с экспрессией АРР и не зависит от генерации Ар. Интересно, что blistered-wing фенотип в Drosophila обычно вызывается мутацией в белках клеточной адгезии, которые определяют межклеточные контакты двух эпителиальных слоев крыла взрослой мухи [4]. Эта работа является уникальной среди исследований, изучающих функции АРР, и позволяет сделать однозначный вывод о том, что АРР непосредственно вовлечен в процессы клеточной адгезии в нервной системе. Подтверждением этого предположения являются данные о том, что в первичной культуре кортикальных нейронов АРР локализуется вместе с основными компонентами фокальных сайтов адгезии [54].
КЛЕТОЧНЫЕ ФУНКЦИИ PS-1 И PS-2
Пресенилины PS-1 и PS-2 являются интегральными мембранными белками, содержащими, согласно принятой топологической модели, восемь трансмембранных доменов и большой гидрофильный участок между трансмембраными доменами 6 и 7 [15, 48]. После клонирования генов пресенилинов в течение достаточно длительного времени функции PS-1 и PS-2 оставались неясными, пока в 1998 году не было обнаружено резкое снижение активности у-секретазы в линиях мышей с нокаутом гена P-S1 [13, 36]. Именно после этих работ все клеточные функции PS-1 отождествляли почти исключительно с у-секретазной активностью. Позднее было установлено, что в состав мембранного комплекса, обладающего у-секретазной активностью, входит ряд других белков, один из которых — никастрин — физически ассоциирован с PS-1 [12, 19, 22, 67].
Исследования, проведенные на млекопитающих и Drosophila, показали, что у-секретазный комплекс вовлечен в расщепление не только АРР, но и Notch рецепторов, при котором внутриклеточный домен Notch, регулирующий экспрессию генов, освобожда-
ется из плазматической мембраны и транслоцируется в ядро [28]. Генетические эксперименты, проведенные на Drosophila, показали, что «loss-of-function» мутанты PS-1 и никастрина характеризуются фенотипом, наблюдаемым при дефектах Notch во время эмбрионального развития [8, 55].
В настоящее время предполагается, что мутации в PS-1 и PS-2 определяют доминантный «gain-of-function» фенотип семейной формы БА, связанный с повышенной секрецией АЬМ2 [7, 48]. В то же время, несмотря на огромный поток работ, доказывающих, что пресенилины вовлечены в белковый комплекс, обладающий характеристиками внутримембранной проте-азы, механизм генерации амилоидогенных продуктов расщепления АРР при БА остается неясным. Большинство мутаций в пресенилинах являются missense-мутациями и локализованы практически по всей последовательности гена [24, 32]. Исключением являются лишь делеция без сдвига рамки считывания экзона 9 и мутация в сайте сплайсинга PS-1 [10, 39] . Механизма, объясняющего, как мутации в различных доменах трансмембранного белка ведут к одному и тому же эффекту, а именно к сдвигу сайта расщепления АРР с образованием преимущественно Ар^^, в настоящее время не существует. Более того, как мы уже замечали ранее, накопление АР1-42 может происходить лишь на поздних стадиях БА, и в этом случае патогенетический механизм мутаций в PS-1 и PS-2 при семейных формах БА может быть и иным, чем повышение секреции амилоидогенных видов Ар.
Существует целый ряд работ, показывающий роль PS-1 в клеточной адгезии, образовании и поддержании синаптических контактов. В эпителиальных клетках млекопитающих и Drosophila PS-1 стимулирует образование межклеточных контактов [21, 51, 66] и образует комплексы с актин-связывающими белками фи-ламином и катенином [68, 69]. В поляризованных клетках PS-1 концентрируется на поверхности структур, образующих межклеточные контакты, — ламелиподии в Т-лимфоцитах [49] и филоподии растущего конуса культивируемых эмбриональных нейронов [40, 51].
В экспериментах на Drosophila было показано, что PS-1 связывается с Ь-катенином и кадхерином в местах синаптических контактов [37]. Комплексы PS-1 с кадхерином и катенином обнаруживались и в культурах различных эпителиальных клеток [21, 51]. Образование комплекса между PS-1 и кадхеринами, являющимися основными белками синаптических контактов, представляет значительный интерес, поскольку может определять стабильность зрелых синапсов и являться регулятором синаптической пластичности [31].
Следует также отметить, что при иммуногистохими-ческих исследованиях присутствие PS-1 было продемонстрировано не только в пресинаптическом терми-
нале, но и в постсинаптических компартментах нейронов [43]. Биохимические исследования показывали высокую степень обогащения РБ-фрагментами очищенных синаптических мембран мозга крыс [1].
В свете представленных данных об участии РБ-1 в клеточной адгезии можно предположить, что мутации в гене, кодирующем этот белок при наследственных формах БА, ведут именно к нарушению его синаптических функций. Так, мутации в пресенилинах могут нарушать нормальный фолдинг этого трансмембранного белка, его мембранную топологию, локализацию на клеточной поверхности или связь с белками цитоскелета. Эти изменения могут приводить к нарушению одной из основных функций белка — участию в межклеточных взаимодействиях и синаптических контактах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Идентификация мутаций в АРР, РБ-1 и РБ-2, вызывающих раннюю аутосомно-доминантную форму БА, отводит этим белкам основную роль в патогенезе БА. Вместе с тем, функции АРР и пресенилинов в настоящее время изучены недостаточно и, в силу этого обстоятельства, механизм обменных нарушений и физиологических процессов, обусловленный мутациями, остается неясным. Хотя аномальный протеолитический процессинг АРР, наблюдаемый при наследственных формах БА, послужил основой для выдвижения основной патогенетической гипотезы амилоидного каскада, все увеличивающееся число исследований свидетельствует, что нарушения синаптических функций и связанная с ними потеря памяти в ранней фазе БА происходит значительно раньше появления амилоидных бляшек и нейрофибриллярных клубков. Представленные в настоящем обзоре данные свидетельствуют, что АРР и пресенилины непосредственно вовлечены в образование и поддержание синапсов, а мутации в кодирующих их генах могут приводить к нарушениям синаптических функций, независимо от секреции амилоидогенных форм Ар. Эти результаты ни в коей мере не отвергают роль амилоидоза и нейродегенерации при БА, которые, вероятно, имеют важное значение на поздних сроках развития заболевания, также как и целый ряд процессов, определяемых генами предрасположенности к БА. К ним, в первую очередь, относятся гены аполипопро-теина Е, транссайретина, ЬРР — и RAGE-рецепторов. Наиболее вероятно, что эти белки связаны с клиренсом Ар, который, в конечном итоге, может определять скорость амилоидоза [25].
В исследовании реального патогенетического механизма БА, несомненно, значительную роль играют генетические модели, которые в большой степени отражают картину заболевания у человека. И, как нам кажется, основное внимание здесь может быть уде-
лено экспериментам на Drosophila melanogaster. Более того, исследования с привлечением данной модели являются основой для поиска генетических модификаторов, которые могут значительно способствовать разработке новых терапевтических подходов в лечении БА.
Работа поддержана грантами РФФИ (04-49019), «Фундаментальные науки — медицине», СПб НЦ.
Литература
1. Beher D., Elle, C., Underwood J. et. al. Proteolytic fragment of
Alzheimer’s disease-associated presenilin 1 are present in synaptic organells and growth cone membranes of rat brain // J. Neurchem. — 1999. — Vol. 72. — P. 1564-1537.
2. Braak E., Griffing K. Arai K. et al. Neuropathology of Alzheimer’s
disease: what is new since A. Alzheimer? // Eur. Arch. Psych. Clin. Neuroscie. — 1999. — Vol. 249, Suppl. 3. — P. 14-22.
3. Braak H., Braak E. Evolution of the neuropathology of Alzheimer’s
disease // Acta Neurologica Scandinavica Supplementum. —
1996. — Vol. 165. — P. 3-12.
4. Brown N.H. Integrins as mediators of morphogenesis in Drosophila //
Dev. Biol. — 2000. — Vol. 223. — P. 1-16.
5. Carrell R.W., Lomas D.A. Conformational disease // Lancet. —
1997. — Vol. 350. — P. 134-8.
6. Carrell R.W., Gooptu B. Conformational changes and disease —
serpins, prions and Alzheimer’s // Curr. Opin. Struct. Biol. —
1998. — Vol. 8 — P. 799-809.
7. Chan S.L., Furukawa K., Mattson M.P. Presenilins and APP in
neuritic and synaptic plasticity: implications for the pathogenesis of Alzheimer’s disease// Neuro. Mol. Med. — 2002. — Vol. 2. — P. 167-196.
8. ChungH.M., Struhl G. Nicastrin is required for Presenilin-mediated
transmembrane cleavage in Drosophila // Nat. Cell Biol. —
2001. — Vol. 3. — P. 1129-32.
9. Citron M. Strategies for disease modification in Alzheimer’s
disease // Nature Rev. Neuroscie. — 2004. — Vol. 5. — P. 677-685.
10. Crook R., Verkkoniemi A., Perez-Tur J. et al. A variant of Alzheimer’s
disease with spastic paraparesis and unusual plaques due to deletion of exon 9 of presenilin 1 // Nature Med. — 1998. — Vol. 4. — P. 394-395.
11. Davis K.L., Samuels S.C. In Pharmacological Management of
Neurological and Psychiatric Disorders (eds. Enna S.J. & Coyle J.T.). —New York: McGraw-Hill, 2003. — P. 267-316.
12. De Strooper B. Aph-1, Pen-2, and Nicastrin with Presenilin generate an active g-secretase complex // Neuron. — 2003. — Vol. 38. — P. 9-12.
13. De Strooper B., Saftig P., Craessaerts K et al. Deficiency of presenilin-1 inhibits the normal cleavage of amyloid precursor protein // Nature. — 1998. — Vol. 391. — P. 387-90.
14. De Strooper B., Annaert W. Proteolytic processing and cell biological
functions of the amyloid precursor protein // J. Cell Sci. —
2000. — Vol. 113. — P. 1857-70.
15. De Strooper B.D., Annaert W. Presenilins and the intramembrane
proteolysis of proteins: facts and fiction // Nat. Cell Biol. —
2001. — Vol. 3. — P. 221-25.
16. Evans D.A. Estimated Prevalence of Alzheimer’s disease in the
United States // The Milbank Quarterly. — 1990. — Vol. 68. — P. 267-289.
17. Fortini M.E., Skupski M.P., Boguski M.S., Hariharan I.K. A survey
of human disease gene counterparts in the Drosophila genome // J. Cell Biol. — 2000. — Vol. 150. — P 23-30.
18. Fossgreen A., Bruckner B., Czech C. etal. Transgenic Drosophila
expressing human amyloid precursor protein show y-secretase activity and a blistered-wing phenotype // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 1998. — Vol. 95. — P. 703-8.
19. Francis R., McGrath G., Zhang J. et al. Aph-1 and pen-2 are required
for Notch pathway signaling, y-secretase cleavage of APP, and presenilin protein accumulation // Dev. Cell. — 2002. — Vol. 3. — P 85-97.
20. Franklin J.L., Berechid B.E., Cutting F.B. etal. Autonomous and
non-autonomous regulation of mammalian neurite development by Notchl and Deltal // Curr. Biol. — 1999. — Vol. 9. — P 14481457.
21. Georgakopoulos A., Marambaud P., Efthimiopoulos S. etal. Presenilin-1 forms complexes with the cadherin/catenin cell-cell adhesion system and is recruited to intercellular and synaptic contacts // Mol. Cell. — 1999. — Vol. 4. — P 893-902.
22. Goutte C., TsunozakiM., Hale V.A, Priess J.R. APH-1 is a multipass
membrane protein essential for the Notch signaling pathway in Caenorhabditis elegans embryos // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. —
2002. — Vol. 99. — P 775-79.
23. Gunawardena S., Goldstein L.S. Disruption of axonal transport and
neuronal viability by amyloid precursor protein mutations in Drosophila // Neuron. — 2001. — Vol. 32. — P 389-401.
24. Hardy J. Amyloid, the presenilins and Alzheimer’s disease // Trends
Neurosci. — 1997. — Vol. 20. — P. 154-159.
25. Hardy J., Selkoe D.J. The amyloid hypothesis of Alzheimer’s disease:
progress and problems on the road to therapeutics. An updated summary of the amyloid hypothesis // Science. — 2002. — Vol. 297. — P. 353-356.
26. Justice N.J., Jan Y.N. Variations on the Notch pathway in neural
development// Curr. Opin. Neurobiol. — 2002. — Vol. 12. — P. 64-70.
27. Kamal A., Stokin G.B., Yang Z. et al. Axonal transport of amyloid
precursor protein is mediated by direct binding to the kinesin light chain subunit of kinesin-I // Neuron. — 2000. — Vol. 28. — P 449-459.
28. Kopan R., Goate A.A. Common enzyme connects Notch signaling
and Alzheimer’s disease // Genes Dev. — 2000. — Vol. 14. — P. 2799-806.
29. Luo L, Martin-Morris L.E., White K. Identification, secretion, and
neural expression of APPL, a Drosophila protein similar to human amyloid protein precursor// J. Neurosci. — 1990. — Vol. 10. — P 3849 — 3861.
30. Luo L., Tully T., White K. Human amyloid precursor protein
ameliorates behavioral deficit of flies deleted for Appl gene // Neuron. — 1992. — Vol. 9. — P 595-605.
31. Marambaud P., Shioi J., Serban G. etal. Apresenilin-1/ gammasecretase cleavage releases the E-cadherin intracellular domain and regulates disassembly of adherens junctions // EMBO J. — 2002. — Vol. 21. — P 1948-1956.
32. Mattson M.P., Guo Q., Furukawa K., Pedersen W.A. Presenilins,
the endoplasmic reticulum, and neuronal apoptosis in Alzheimer’s Disease // J. Neurochem. — 1998. — Vol. 70. — P 1-14.
33. Merdes G., Soba P., LoewerF. Interference of human and Drosophila
APP and APP-like proteins with PNS development in Drosophila // EMBO J. — 2004. — Vol. 23. — P. 4082-4095.
34. Moya K.L, Benowitz L.I, SchneiderE., Allinquant B. The amyloid
precursor protein is developmentally regulated and correlated with synaptogenesis // Dev. Biol. — 1994. — Vol. 161. — P. 597-603.
35. MuckeL., MaslaihE., Johnson W.B. Synaptotrophic effects of human
amyloid b protein precursors in the cortex of transgenic mice // Brain Res. — 1994. — Vol. 666. — P 151-167.
36. Naruse S., Thinakaran G., Luo J. Effects of PS1 deficiency on
membrane protein trafficking in neurons // Neuron. — 1998. — Vol. 21. — P 1213-21.
37. Noll E., Medina M., Hartley D. Presenilin affects arm/beta catenin
localization and function in Drosophila // Dev. Biol. — 2000. — Vol. 227. — P. 450-464.
38. Oddo S., Caccamo A., Shepherd J.D. et al. Triple-transgenic model
of Alzheimer’s disease with plaques and tangles: intracellular Abeta and synaptic dysfunction // Neuron. — 2003. — Vol. 39. — P 409-21.
39. Perez-Tur J., Froelich S., Prihar G. A mutation in Alzheimer’s disease
destroying a splice acceptor site in the presenilin-1 gene // Neuroreport. — 1999. — Vol. 7. — P 297-301.
40. Pigino G., Pelsman A., Mori H., Busciglio J. Presenilin-1 mutations reduce cytoskeletal association, deregulate neurite growth, and potentiate neuronal dystrophy and tau phosphorylation // J. Neurosci. — 2001. — Vol. 21. — P 834842.
41. Price D.L., Tanzi R.E., Borchelt D.R., Sisodia S.S. Alzheimer’s
disease: genetic studies and transgenic models // Annu. Rev. Genet. — 1998. — Vol. 32. — P 461-493.
42. Reiter L.T., Potocki L., Chien S. A systematic analysis of human
disease-associated gene sequences in Drosophila melanogaster// Genome Res. — 2001. — Vol. 11. — P 1114-25.
43. Ribaut-Barassin C., Moussaoui S., Brugg B. etal. Hemisynaptic
distribution patterns of presenilins and beta-APP isoforms in the rodent cerebellum and hippocampus // Synapse. — 2000. — Vol. 35. — P 96-110.
44. Roch J.M., MasliahE., Roch-Levecq A.C. Increase of synaptic density
and memory retention by a peptide representing the trophic domain of the amyloid P/A4 protein precursor // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 1994. — Vol. 91. — P 7450-7454.
45. Rogaev E.I., Sherington R..Y., Rogaeva E.A. Familial Alzheimer’s
disease in kindred missense mutations in a gene onchromosome 1 related to the Alzheimer’s disease type 3 gene // Nature. — 1995. — Vol. 376. — P 775-778.
46. Rosen D.R, Martin-Morris L., Luo L., White K.A. Drosophila gene
encoding a protein resembling the human P-amyloid protein precursor// Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 1989. — Vol. 86. — P. 2478-2482.
47. Rubin G.M, Yandell M.D., Wortman J.R. et al. Comparative genomics of the eukaryotes // Science. — 2000. — Vol. 287. — P 2204-15.
48. Selkoe D.J. The cell biology of P-amyloid precursor protein and
presenilin in Alzheimer’s disease // Trends Cell Biol. — 1998. — Vol. 8. — P 447-53.
49. Schwarzman A.L., Singh N., Tsiper M. et al. Endogenous presenilin 1 redistributes to the lamellipodia upon adhesion of Jurkat cells to a collagen matrix // Proc. Natl. Acad. Sci. USA —
1999. — Vol. 96. — P 7932-7937.
50. Sherington R., Rogaev E.I., Liang Y. Cloning of gene bearing missense mutations in early-onset familial Alzheimer’s disease // Nature. — 1995. — Vol. 375. — P 754-759.
51. Singh N., Tsiper M., Romanov V. The role of Alzheimer’s disease-
related presenilin 1 in intercellular adhesion // Exp. Cell. Res. —
2001. — Vol. 263. — P 1-13.
52. Soto C. Alzheimer’s and prion disease as disorders of protein
conformation: implications for the design of novel therapeutic approaches // J. Mol. Med. — 1999. — Vol. 77. —
P. 412-8.
53. Stokin G.B., Lillo C., Falzone T. Axonopathy and transport deficits
early in the pathogenesis of Alzheimer’s disease // Science. — 2005. — Vol. 307. — P 1282-1288.
54. Storey E., BeyreutherK., Masters C.L. Alzheimer’s disease amyloid
precursor protein on the surface of cortical neurons in primary culture co-localizes with adhesion patch components // Brain Res. — 1996. — Vol. 735. — P 217-231.
55. Struhl G., GreenwaldI. Presenilin is required for activity and nuclear
access of Notch in Drosophila// Nature. — 1999. — Vol. 398. — P. 522-25.
56. Thompson A.J., Barrow C.J. Protein conformational misfolding and
amyloid formation: characteristics of a new class of disorders that include Alzheimer’s and Prion diseases // Curr. Med. Chem. —
2002. — Vol. 9. — P 1751-62.
57. Terry R.D. The pathogenesis of Alzheimer’s disease. What causes
dementia? In Christen et al. (eds): neurophilosophy and Alzheimer’s disease. — Berlin: Springer, 1992. — P 123-130.
58. Terry R.D. Where in the brain does Alzheimer’s disease begin? // Annals of Neurology. — 2000. — Vol. 47. — P 421.
59. Torroja L., Luo L., White K. APPL, the Drosophila member of the
APP-family, exhibits differential trafficking and processing in CNS neurons // J. Neurosci. — 1996. — Vol. 16. — P. 4638-4650.
60. Torroja L., Packard M., Gorczyca M. at al. The Drosophila beta-
amyloid precursor protein homolog promotes synapse differentiation at the neuromuscular junction// J. Neurosci. — 1999. — Vol. 19. — P. 7793-7803.
61. Tschape J.A., Hammerschmied C., Muhlig-Versen M. et al. The neurodegeneration mutant lochrig interferes with cholesterol homeostasis and Appl processing // EMBO J. — 2002. — Vol. 21. — P. 6367-6376.
62. Wasco W., Bupp K., Magendantz M. et al. Identification of a mouse
brain cDNA that encodes a protein related to the Alzheimer’s disease-associated amyloid b protein precursor// Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 1992. — Vol. 89. — P 10758-10762.
63. Wasco W., Gurubhagavatula S., Paradis M.D. et al. Isolation and
characterization of APLP2 encoding a homologue of the Alzheimer’s associated amyloid р protein precursor// Nat. Genet. — 1993. — Vol. 5. — P. 95-100.
64. Wilquet V., De Strooper B. Amyloid-beta precursor protein processing in neurodegeneration // Curr. Opin. Neurobiol. — 2004. — Vol. 14. — P. 582-8.
65. Yagi Y., Tomita S., Nakamura M., Suzuki T. Overexpression of
human amyloid precursor protein in Drosophila // Mol. Cell. Biol. Res. Commun. — 2000. — Vol. 4. — P. 43-49.
66. Ye Y., Fortini M.E. Apoptotic activities of wild-type and Alzheimer’s
disease-related mutant presenilins in Drosophila melanogaster// J. Cell Biol. — 1999. — Vol. 146. — P. 1351-1364.
67. Yu G., Nishimura M., Arawaka S. et al. Nicastrin modulates presenilin-mediated notch/glp-1 signal transduction and APP processing// Nature. — 2000. — Vol. 407. — P. 48-54.
68. Zhang V., Han S-V., McKeel D. Interaction of presenilins with the
filamin family of actin-binding proteins // J. Neurosci. — 1998. —
Vol. 18. — P 914-922.
69. Zhou J., Liyanage U., Medina M., Ho C. et al. Presenilin 1 interaction
in the brain with a novel member of the Armadillo family //
NeuroReport. — 1997. — Vol. 8. — P 1489-1494.
^ SUMMARY: Alzheimer’s disease is a progressive neurodegen-erative disorder characterized by deposition of extracellular amyloid plaques, intracellular neurofibrillary tangles, and neuronal loss in the brain. However, in earliest clinical phase of disease synaptic dysfunctions and memory impairment manifest prior to plaque and tangle formation. Most attempts to interpret these observations were based on the analysis of mutations in the genes encoding the amyloid precursor protein (APP) and presenilins that cause early-onset autosomal dominant familial forms of Alzheimer’s disease. Although APP and presenilin mutations result in increased production of amyloid-beta-peptide, the hypothesis that progressive accumulation of neurotoxic species of amyloid-beta-peptide leads to the dysfunction and degeneration of synapses remains controversial because cellular functions of APP and presenilins are not well understood. This paper reviews the current understanding of how alterations in the cellular functions of APP and presenilins may result in the dysfunction and degeneration of synapses independently from amyloid-beta-peptide production. A special attention is devoted to Drosophila melanogaster model, in which study of APP and presenilin functions have led to new insights into pathogenesis of Alzheimer’s disease.
^ KEY WORDS: Alzheimer’s disease; amyloid precursor protein; Drosophila melanogaster; AP peptide; presenilin
