The interaction between the neural cell adhesion molecule L1 and β-amyloid peptide : potential relevance in Alzheimer’s disease

Abstract

Die Alzheimer´sche-Krankheit ist eine verheerende neurodegenerative Erkrankung und die häufigste Ursache von Demenz bei älteren Menschen. Eines der wichtigsten histopathologischen Merkmale, das sich in Gehirnen von Patienten mit Morbus Alzheimer finden lässt, sind Amyloid-Plaques, Ablagerungen von β-Amyloid-Peptid (Aß) welches aus dem β-Amyloid-Vorläuferprotein („Amyloid-Precursor-Protein“, APP) entsteht. Das neurale Zelladhäsionsmolekül L1 ist ein Adhäsionsmolekül der Immunglobulin-Superfamilie, welches eine wichtige Rolle in der neuronalen Entwicklung spielt. Mehrere Studien haben gezeigt, dass die Überexpression von L1 zur Reduktion von degenerativen Prozessen und zur Regeneration von traumatischen Verletzungen und neurodegenerativen Störungen in Tiermodellen führt. Interessanterweise wurde im Liquor von Patienten die an Morbus Alzheimer leiden eine erhöhte Menge an löslichen L1 Proteinfragmenten nachgewiesen. In Anbetracht dieser Ergebnisse wurde in dieser Studie die Möglichkeit überprüft, ob L1 einige der charakteristischen zellulären und molekularen Parameter, die mit der Krankheit im APPPS1 Mausmodell der Alzheimer´schen-Krankheit assoziert sind, verbessert. APPPS1 Mäuse überexprimieren mutierte Formen von humanem APP (KM670/671NL, \\\\\\\"Schwedische\\\\\\\" Mutation) und menschlichem Presenilin-1 (PS1, L166P-Mutation) unter der Kontrolle eines Neuron-spezifischen Promotors und haben eine schnell fortschreitende zerebrale Amyloidose. Drei Monate alte Mäuse erhielten eine Injektion eines Adeno-assoziierten Virus, welcher die neuronale Isoform des L1 (AAV-L1) kodiert, oder, als Negativkontrolle, grün fluoreszierendes Protein (AAV-GFP) in den Hippocampus und okzipitalen Kortex einer Gehirnhälfte. Vier Monate nach der Virus-Injektion wurden die Mäuse für histologische und biochemische Parameter der Alzheimer´schen-Krankheit analysiert. Injektion von AAV-L1 führte in Neuronen zu einer Überexpression von L1 und zu einer ektopischen Expression von L1 in Astrozyten, wohingegen keine Expression von L1 in Mikroglia/Makrophagen und Oligodendrozyten festgestellt werden konnte. Die histologische Analyse zeigte eine verringerte Aß Plaque Belastung in AAV-L1 injizieren Gehirnen. Mittels ELISA wurden in AAV-L1 injiziert Hemisphären reduzierte Mengen von löslichem Aß42 Peptid und ein niedrigeres Aβ42/40 Verhältnis im Vergleich mit der kontralateralen Hemisphäre des gleichen Gehirns festgestellt. AAV-L1 Injektion reduzierte die Astrogliose, hatte aber keinen Einfluss auf die Zahl der Iba1-positiven Mikrogliazellen/Makrophagen. Dies ist im Einklang mit dem beobachteten Muster der L1-Transduktion. Allerdings war die Anahl von Mikrogliazellen/Makrophagen in den Anhäufungen um die Plaques in AAV-L1 injizierten Mäusen erhöht. Eine wichtige Erkenntnis dieser Studie war, dass AAV-L1 injizierte Mäuse im Vergleich mit AAV-GFP injizierten Kontrolltieren eine höhere Dichte von hemmenden Synapsen auf Pyramidenzellen im Hippokampus aufweisen. Zwei mögliche molekularen Mechanismen, die die niedrige Amyloid-Belastung in AAV-L1 injizierten Mäusen erklärten, wurden von mir getestet: 1) L1 bindet Aß und wirkt somit auf die Aß-Aggregation, oder 2) L1 reduziert die APP-Prozessierung und Aß-Sekretion L1 ist ebenfalls ein Substrat für PS1, das gleiche Enzym welches an der Aß-Bildung beteiligt ist. Die erste Möglichkeit wurde in einem markierungsfreien Bindungs-„Assay“ getestet. Eine konzentrationsabhängige Bindung der extrazellulären Domäne von L1, nicht aber der des „Close Homolog of L1“ (CHL1), an Aβ40 und Aß42 konnte gezeigt werden. Diese Bindung wurde von den Fibronektin-Typ-III homologen Wiederholung 1-3 in der extrazelluären Domäne von L1 vermittelt. Auch im in vitro-Aggregations-Versuch wurde in Anwesenheit der extrazellulären Domäne von L1eine reduzierte Aggregation von Aß42 Peptiden gezeigt. Die kompetitive Bindung von L1 an PS1 als Ursache verminderter APP-Prozessierung wurde in einer Zelllinie die humanes APP und PS1 exprimiert untersucht. Nach Transfektion mit L1 gab es keine Veränderung in der APP-Expression oder Prozessierung, was darauf hindeutet, dass L1 nicht in diese Prozesse eingreift. Die Beobachtungen zeigen, dass L1, wenn es in Neuronen und Glia überexprimiert wird, mehrere histopathologische Kennzeichen der Alzheimer´schen Erkrankungbei Mäusen reduziert. Dies erfolgt wahrscheinlich durch Reduktion von Aß-Aggregation, ektopische L1 Expression in Astrozyten und Schutz der Synapsen. L1 scheint daher ein interessanter Kandidat, für Behandlung der Alzheimer´schen Krankheit und zur Verbesserung der Alzheimer Pathologie zu sein.

Alzheimer’s disease (AD) is a devastating neurodegenerative disorder and the most common cause of elderly dementia. One of the main histopathological features of AD diseased brain are amyloid plaques, depositions made of β-amyloid peptide (Aβ), derived from β-amyloid precursor protein (APP). The neural cell adhesion molecule L1 is an adhesion molecule of the Ig superfamily which plays an important role in neuronal development. Several studies showed that L1 overexpression has the potential to reduce degenerative processes and to improve recovery in animal models of traumatic injury and neurodegenerative disorders. Interestingly, increased levels of L1 were shown in the cerebrospinal fluid of AD patients. In light of these findings, this study was focused on investigating the possibility that L1 might ameliorate some characteristic cellular and molecular parameters associated with the disease in APPPS1 mouse model of AD. APPPS1 mice overexpress mutated forms of human APP (KM670/671NL, “Swedish” mutation) and human presenilin-1 (PS1, L166P mutation) under the control of a neuron-specific promoter and have rapid progression of cerebral amyloidosis. Three-month-old mice received an injection of adeno-associated virus encoding the neuronal isoform of full-length L1 (AAV-L1) or, as negative control, green fluorescent protein (AAV-GFP) into the hippocampus and occipital cortex of one brain hemisphere. Four months after virus injection, the mice were analyzed for histological and biochemical parameters of AD. L1 was found to be overexpressed in neurons and ectopically expressed in astrocytes, while no expression was detected in microglia/macrophages and oligodendrocytes. Histological analysis revealed decreased Aβ plaque load in AAV-L1 injected. Reduced levels of soluble Aβ42, and lower Aβ42/40 ratio were detected by ELISA in AAV-L1 injected hemispheres compared with the contralateral hemisphere of the same brain. AAV-L1 injection reduced astrogliosis, but had no effect on numbers of Iba1-positive microglial cells/macrophages, which falls in line with observed pattern of transduction. However, numbers of microglial cells/macrophages in clusters around plaques were increased in AAV-L1 injected mice. An important finding of this study was that AAV-L1 injected mice had increased densities of inhibitory synaptic terminals on pyramidal cells in the hippocampus when compared with AAV-GFP injected controls. To analyze/discover the molecular mechanism that may underlie the lower amyloid load in AAV-L1 injected mice, we tested two possibilities: 1) L1 binds Aβ and thus affects Aβ aggregation, or 2) L1 competitively reduces APP processing and therefore Aβ secretion, being a substrate for PS1, the same enzyme involved in Aβ generation. The first possibility was explored in a label-free binding assay. Concentration dependent binding of the extracellular domain of L1, but not of the close homolog of L1 (CHL1) to Aβ40 and Aβ42 was seen, with the fibronectin type III homologous repeats 1-3 of L1 mediating this effect. Also, in vitro aggregation assay showed reduced aggregation of Aβ42 the presence of the extracellular domain of L1 but not in the presence of CHL1. Competitive binding of L1 to PS1 as a cause of reduced APP processing was investigated in a cell line expressing human APP and PS1. Upon transfection with L1 there was no change in APP expression or processing, which suggests that L1 does not interfere with these processes. The combined observations indicate that L1, when overexpressed in neurons and glia, reduces several histopathological hallmarks of AD in mice, probably by reduction of Aβ aggregation, ectopic L1 expression in astrocytes and protection of synapses. L1 thus appears to be a candidate molecule to ameliorate the pathology of AD.