Neurological disorders are the biggest concern globally and ageing contributes in worsening the disease scenarios. In AD or AD like diseases, there is abnormal accumulation of extracellular amyloid beta produced due to abnormal processing of the transmembrane amyloid precursor protein, by β and γ-secretases. It spreads in the cortical and limbic regions of the brain leading to neuronal toxicity, impairment in memory and neurological functions. Aβ deposition in the CNS is common in aging HIV patients. Neurotoxic protein Tat, results in increased Aβ in combination with drugs of abuse cocaine. We examined the role of Withaferin A, against Aβ induced neurotoxicity. Our in-vitro dose optimization study demonstrates that lower concentrations (0.5–2 μM) of WA significantly reduce the Aβ40, without inducing cytotoxicity in the APP plasmid transfected SH-SY5Y cells (SHAPP). We demonstrate that Aβ secretion is increased in the presence of Tat (50 ng/ml) and coc (0.1 μM), WA reduces the Tat and coc induced increase in Aβ40. Additionally, we studied the role of WA against NF-kB mediated neuroinflammation, and observed that WA inhibits the expression of NFkB2 and RELA transcription factors, which play a major role in the expression of inflammatory chemokines. Further, to address the issue of minimal drug bioavailability in the CNS, we developed the WA loaded liposomal nanoformulation (WA-LNF) and characterized its size (499+/-50nm), toxicity and drug binding efficacy (28%). Our in-vitro 3D BBB transmigration of WA-LNF demonstrated ~40% transmigration efficiency. Furthermore, it was imperative for us to understand the mechanism of action of WA, therefore we studied the molecular mechanism of interaction of WA with Aβ protein by in-silico molecular dynamics simulations. We demonstrated that WA binds to the middle region of Aβ protein and the amino acid motif involved were FAEDVGS highlighting the mid-region Aβ capture by WA. 3 Hydrogen bonds were formed between WA and the amino acids, ASN17, GLY15 and SER16. This study reports WA as a potent neuroprotectant against amyloid induced neurotoxicity. Our study may have an immense therapeutic potential to target Aβ in the CNS, in the ageing patients and/or PLWH and/or ageing drug abusers.

Transgenic animal models are invaluable research tools for elucidating the pathways and mechanisms involved in the development of neurodegenerative diseases. Mechanistic clues can be revealed by applying labelling techniques such as immunohistochemistry or in situ hybridisation to brain tissue sections. Precision in both assigning anatomical location to the sections and quantifying labelled features is crucial for output validity, with a stereological approach or image-based feature extraction typically used. However, both approaches are restricted by the need to manually delineate anatomical regions. To circumvent this limitation, we present the QUINT workflow for quantification and spatial analysis of labelling in series of rodent brain section images based on available 3D reference atlases. The workflow is semi-automated, combining three open source software that can be operated without scripting knowledge, making it accessible to most researchers. As an example, a brain region-specific quantification of amyloid plaques across whole transgenic Tg2576 mouse brain series, immunohistochemically labelled for three amyloid-related antigens is demonstrated. First, the whole brain image series were registered to the Allen Mouse Brain Atlas to produce customised atlas maps adapted to match the cutting plan and proportions of the sections (QuickNII software). Second, the labelling was segmented from the original images by the Random Forest Algorithm for supervised classification (ilastik software). Finally, the segmented images and atlas maps were used to generate plaque quantifications for each region in the reference atlas (Nutil software). The method yielded comparable results to manual delineations and to the output of a stereological method. While the use case demonstrates the QUINT workflow for quantification of amyloid plaques only, the workflow is suited to all mouse or rat brain series with labelling that is visually distinct from the background, for example for the quantification of cells or labelled proteins.

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Intra- und extrazelluläre ß-Amyloid-Ablagerungen (Abeta) sind ein neuropathologisches Hauptmerkmal der Alzheimerschen Demenz (AD). Aktuelle Studien belegen, dass nicht Abeta-Plaques, sondern Abeta-Oligomere die Schädigung von Synapsen und Nervenzellen verursachen und dass ihre Konzentration gut mit der Schwere der kognitiven Dysfunktion korreliert. Allerdings sind Abeta-Peptide eine heterogene Gruppe schwer wasserlöslicher Peptide mit zahlreichen C- und N-terminalen Modifikationen. Dabei hängt die Tendenz von Abeta-Peptiden Oligomeren zu bilden, ihre proteolytische Resistenz und ihr neurotoxisches Potential maßgeblich von ihrer N-terminalen Struktur ab. Abeta-Peptide, die N-terminal einen Pyroglutamyl-Laktamring (pE-Abeta) aufweisen, machen einen Hauptbestandteil der Abeta-Last in den frühen Stadien der AD aus. Diese modifizierten Abeta-Peptide aggregieren schneller als unmodifiziertes Abeta, sind gegen Proteolyse geschützt und wirken als Aggregationskeim für andere Abeta-Spezies. Das Enzym Glutaminylzyklase (QC) katalysiert die n-terminale pE-Modifikation von Abeta in vitro und in vivo und wird in Neuronenpopulationen gefunden, für die ein starker Verlust von Synapsen und Neuronen im Zusammenhang mit der AD beschrieben wurde. Diese Arbeit stellt die schichtspezifische Verteilung von QC im temporalen Kortex und der hippocampalen Formation von Alzheimerpatienten und Kontrollen vergleichend dar und zeigt einen direkten Zusammenhang zwischen der Überexpression von QC und der Vulnerabilität betreffender Neuronenpopulationen auf. Darüber hinaus bestätigen die vorgestellten Ergebnisse die These, wonach QC und pE-Abeta das Potential haben, nach axonalem Transport eine Kaskade in efferenten Hirnregionen zu initiieren, an deren Ende der Verlust von Nervenzellen steht. Diese Erkenntnisse unterstützen das Interesse an QC als Gegenstand zukünftiger Grundlagenforschung und Wirkstoffentwicklungen für die Therapie der AD. / Intra- and extracellular s-amyloid (Abeta) deposits are a major neuropathological hallmark of Alzheimer\'s disease (AD). Recent studies demonstrate that Abeta oligomers rather than Abeta plaques cause severe damage of synapses and nerve cells and in addition the concentration of Abeta oligomers correlates well with the severity of cognitive dysfunction. However, Abeta peptides are a heterogeneous group of poorly water-soluble peptides with various C- and N-terminal modifications. Biophysical properties of these peptides such as their propensity to form oligomers, their proteolytic resistance and their neurotoxic potential particularly depends on their N-terminal structure. Abeta-peptides that contain a pyroglutamyl-a-lactam ring at their N-Terminus (pE-Abeta) constitute a major component of the Abeta load in the early stages of AD. These modified Abeta-peptides aggregate faster than unmodified Abeta, are protected against proteolysis and act as aggregation seed for other Abeta-species. The enzyme glutaminyl cyclase (QC)catalyzes the cyclization of Abeta to pE-Abeta in vitro and in vivo and is found in neuronal populations for which a strong loss of synapses and neurons in the context of AD is described. This thesis presents the layer-specific distribution of QC in the temporal cortex and the hippocampal formation of Alzheimer\'s patients and controls, showing a direct correlation between the overexpression of QC and the vulnerability of respective neuronal populations. Moreover, the presented results confirm the hypothesis that QC and pE-Abeta have the potential to initiate a cascade leading to the loss of nerve cells due to axonal transport and release in efferent brain regions. These findings support the interest in QC as a subject of fundamental research and future drug developments for the treatment of AD.

Amyloid beta (Aβ) has been postulated to be the principle initiator of the pathogenesis of Alzheimer’s disease (AD). Therefore, understanding the underlying mechanisms of Aβ induced neurotoxicity in the early stages of AD would be essential for finding potential therapeutic targets of AD. Aβ-binding alcohol dehydrogenase (ABAD) has been shown to be a mitochondrial binding site for Aβ. Expression of ABAD has been found to be increased in brains of AD sufferers. Two dimensional electrophoresis studies have revealed that endophilin 1 was upregulated in Tg mAPP/ABAD mice brains as compared to Tg mAPP, Tg ABAD and non-Tg mice brains. Increased expression of endophilin 1 has also been found in brains of AD patients as compared to non-demented control brain tissues. Endophilin1 has been reported to regulate c-Jun N-terminal kinase (JNK) activation. In this study, expression of dominant negative forms of endophilin 1 (DN-endophilin 1) in mouse cortical neurons exhibited a significant reduction of Aβ induced JNK activation. Furthermore, using cell counting methods, it was shown that the transfection of DN-endophilin 1 increased neuron survival after Aβ treatment. Aβ has also been proposed to disrupt the interaction of ABAD and Cyclophilin D (CypD), which would trigger mitochondrial permeable transition, thereby leading to neurotoxicity. For fluorescence resonance energy transfer (FRET) analysis of the interaction of ABAD and CypD, a mitochondria targeted, EYFP tagged ABAD plasmid (pMito-ABAD-EYFP) and an ECFP tagged CypD (pCypD-ECFP) plasmid were developed. Positive FRET signals in SK-N-SH cells co-expressing pMito-ABAD-EYFP and pCypD-ECFP indicated that ABAD interacts with CypD in the mitochondria of mammalian cells. RAGE (receptor for advanced glycation end products) has been reported to bind to Aβ and mediate the toxic effects of Aβ peptides on neurons and microglia. It has been shown previously that Tg mAPP/DN-RAGE mice display preserved cognitive function as compared to Tg mAPP mice. To investigate possible mechanisms involved in rescuing cognitive function by RAGE blockage, two dimensional electrophoresis was used to analyze differential protein expression between Tg mAPP and Tg mAPP/DN-RAGE mice cortex. Altered expression of four proteins, including NADH dehydrogenase flavoprotein 2 (NDUFV2), glyoxalase 1 (GLO1), proteasome subunit beta type 4 (PSMB4, or β7 subunit of proteasome) and nitrilase family, member 2 (Nit2) have been observed between Tg mAPP/DN-RAGE mice cortex and Tg mAPP mice cortex. NDUFV2 is a 24kDa subunit of complex 1 which is involved in ATP synthesis. GLO1 is a cytosolic enzyme that plays a role the glutathione-dependent detoxification of α-oxoaldehydes, such as methylglyoxal. PSMB4 is a subunit of the 26s proteosome which is in the degradation of ubiquitinylated proteins. The function of Nit2 is still unclear.

Les protéines sont au coeur de la vie. Ce sont d'incroyables nanomachines moléculaires spécialisées et améliorées par des millions d'années d'évolution pour des fonctions bien définies dans la cellule. La structure des protéines, c'est-à-dire l'arrangement tridimensionnel de leurs atomes, est intimement liée à leurs fonctions. L'absence apparente de structure pour certaines protéines est aussi de plus en plus reconnue comme étant tout aussi cruciale. Les protéines amyloïdes en sont un exemple marquant : elles adoptent un ensemble de structures variées difficilement observables expérimentalement qui sont associées à des maladies neurodégénératives. Cette thèse, dans un premier temps, porte sur l'étude structurelle des protéines amyloïdes bêta-amyloïde (Alzheimer) et huntingtine (Huntington) lors de leur processus de repliement et d'auto-assemblage. Les résultats obtenus permettent de décrire avec une résolution atomique les interactions des ensembles structurels de ces deux protéines. Concernant la protéine bêta-amyloïde (AB), nos résultats identifient des différences structurelles significatives entre trois de ses formes physiologiques durant ses premières étapes d'auto-assemblage en environnement aqueux. Nous avons ensuite comparé ces résultats avec ceux obtenus au cours des dernières années par d'autres groupes de recherche avec des protocoles expérimentaux et de simulations variés. Des tendances claires émergent de notre comparaison quant à l'influence de la forme physiologique de AB sur son ensemble structurel durant ses premières étapes d'auto-assemblage. L'identification des propriétés structurelles différentes rationalise l'origine de leurs propriétés d'agrégation distinctes. Par ailleurs, l'identification des propriétés structurelles communes offrent des cibles potentielles pour des agents thérapeutiques empêchant la formation des oligomères responsables de la neurotoxicité. Concernant la protéine huntingtine, nous avons élucidé l'ensemble structurel de sa région fonctionnelle située à son N-terminal en environnement aqueux et membranaire. En accord avec les données expérimentales disponibles, nos résultats sur son repliement en environnement aqueux révèlent les interactions dominantes ainsi que l'influence sur celles-ci des régions adjacentes à la région fonctionnelle. Nous avons aussi caractérisé la stabilité et la croissance de structures nanotubulaires qui sont des candidats potentiels aux chemins d'auto-assemblage de la région amyloïde de huntingtine. Par ailleurs, nous avons également élaboré, avec un groupe d'expérimentateurs, un modèle détaillé illustrant les principales interactions responsables du rôle d'ancre membranaire de la région N-terminal, qui sert à contrôler la localisation de huntingtine dans la cellule. Dans un deuxième temps, cette thèse porte sur le raffinement d'un modèle gros-grain (sOPEP) et sur le développement d'un nouveau modèle tout-atome (aaOPEP) qui sont tous deux basés sur le champ de force gros-grain OPEP, couramment utilisé pour l'étude du repliement des protéines et de l'agrégation des protéines amyloïdes. L'optimisation de ces modèles a été effectuée dans le but d'améliorer les prédictions de novo de la structure de peptides par la méthode PEP-FOLD. Par ailleurs, les modèles OPEP, sOPEP et aaOPEP ont été inclus dans un nouveau code de dynamique moléculaire très flexible afin de grandement simplifier leurs développements futurs. / Proteins are at the center of life. They are formidable molecular nanomachines specialized and optimized during million years of evolution for well-defined functions in the cell. The structure of proteins, meaning the tridimensional setting of their atoms, is closely related to their function. Absence of structure for a subset of proteins is also recognized to be as crucial. Amyloid proteins is a striking example : they fold into an ensemble of various structures hardly observable experimentally that are associated with neurodegenerative diseases. This thesis, firstly, is on the study of the structural ensemble of the amyloid proteins amyloid-beta (Alzheimer) and huntingtin (Huntington) during their folding and aggregation. Our results describe in details, with an atomic resolution, the characteristic interactions present in the structural ensemble of these two proteins. Concerning the amyloid-beta protein (AB), our results show the structural differences between three of its physiological forms during its first aggregation steps in an aqueous environment. We have then compared these results with those obtained during the past few years by several other research groups using various experimental and simulation protocols. Clear trends come out of this comparison regarding the influence of AB physiological form on its structural ensemble during its first aggregation steps. Their distinct aggregation pathways are rationalized by the identified differences. For their part, the identified similarities offer targets for therapeutical compounds disrupting the aggregation of the neurotoxic oligomers. Concerning the huntingtin protein, we identify the structural ensemble of its functional region at its N-terminal in an aqueous environment and in a phospholipid membrane. In agreement with the available experimental results on the global structure of this region in aqueous solution, our results reveal the dominant interactions, at an atomic precision, in its structural ensemble as well as the influence of its neighboring regions. We have also characterized the stability and the growth of nanotube-like structures that could occur during the aggregation of the amyloid region of huntingtin. Moreover, we have developed, in collaboration with a group of experimentalists, a precise model describing the main membrane interactions of huntingtin N-terminal, which serves as a membrane anchor that controls the localization of huntingtin in the cell. Secondly, this thesis is on the refinement of a coarse-grained model (sOPEP) and on the development of a new all-atom model (aaOPEP) that are both based on the coarse-grained OPEP force field, commonly used to study protein folding and amyloid protein aggregation. The goal behind the optimization of these models is to improve the de novo structure prediction of the PEP-FOLD method. These three models -- OPEP, sOPEP and aaOPEP -- are now also implemented in a new molecular dynamics software that we have developed specifically to greatly ease their future developments.

Neben aktivierten Astrozyten weisen zahlreiche Zytokine und Wachstumsfaktoren, die in der Nähe amyloidogener Ablagerungen im Hirn des Alzheimer-Patienten auftreten, auf eine Alzheimer-assoziierte Neuroinflammation hin, die an der Ausprägung der Neurodegeneration ursächlich beteiligt sein kann. Bisher ist die Bedeutung aktivierter Astrozyten für die Alzheimer-Pathogenese wenig untersucht worden. Von besonderem Interesse war in diesem Zusammenhang das interzelluläre Adhäsionsmolekül ICAM-1, da es mit amyloidogenen Ablagerungen und Astrozyten assoziiert vorliegt. Um einen ersten Hinweis auf eine mögliche pathophysiologische Rolle des ICAM-1 in der Alzheimer-assoziierten Neuroinflammation zu erhalten, wurde im ersten Teil der vorliegenden Arbeit die astrozytäre ICAM-1-Expression in Abhängigkeit unterschiedlicher Mitogene untersucht, die für die Alzheimer-Pathogenese von Bedeutung sind. Aus diesen Untersuchungen ging hervor, daß Astrozyten, die mit den Zytokinen IL1[beta], TNF[alpha] und TNF[alpha] mit IFN[gamma] behandelt wurden, ihre ICAM-1-Expression verstärkten. Es konnte erstmals gezeigt werden, daß eine Erhöhung der intrazellulären cAMP-Konzentration durch Forskolin, Rolipram und Prostglandine die Zytokin-verstärkte ICAM-1-Expression verminderte. Allerdings konnte eine schon bestehende astrozytäre Aktivität durch cAMP-erhöhende Substanzen nicht beeinflußt werden. Im Rahmen weiterer Untersuchungen wurde in dieser Arbeit gezeigt, daß die astrozytäre ICAM-1-Expression nicht durch das Amyloid[beta]-Protein ausgelöst oder verstärkt wird, dagegen konditionierte Medienüberstände A[beta]-aktivierter Mikroglia einen starken Einfluß auf die astrozytäre Aktivität ausüben. Im zweiten Teil dieser Arbeit ist die Untersuchung aktivierter Astrozyten in der Alzheimer-assoziierten Amyloidogenese beschrieben, die im Zusammenhang mit der amyloidogenen Prozessierung des Amyloid-Vorläuferproteins APP steht. Bisher standen Neurone als Hauptproduzenten des Amyloid [beta]-Proteins im Vordergrund der Alzheimer-Forschung. Da jedoch verschiedene Veröffentlichungen darauf hinweisen, daß Astrozyten ebenfalls eine direkte Rolle in der Entstehung der amyloidogenen Ablagerungen spielen können, wurde die amyloidogene APP-Prozessierung aktivierter Astrozyten untersucht. Neben vergleichenden Analysen der astrozytären und neuronalen APP-Prozessierung konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmals gezeigt werden, daß sich die APP-Prozessierung aktivierter Astrozyten zugunsten des nicht-amyloidogenen Prozessierungsweges verlagert, d.h. aktivierte Astrozyten verringerten die Sekretion des A[beta]-Proteins. Ein charakteristisches Merkmal aktivierter Astrozyten ist eine verstärkte [alpha]-Sekretaseaktivität bei der APP-Prozessierung. Astrozyten, die mit den Zytokinen IL1[beta], TNF[alpha] und TNF[alpha] mit IFN[gamma] aktiviert wurden, akkumulierten nicht-amyloidogene C-terminale Fragmente, sekretierten verstärkt sekretorisches APP nach [alpha]-Sekretaseaktivität und zeigten eine verringerte A[beta]-Sekretion bei gleichzeitig verstärkter Sekretion des nicht-amyloidogenen p3-Fragmentes. Abschließend wurde die pathophysiologische Bedeutung der Astrozyten in der Alzheimer-Pathogenese im Zusammenhang mit den erzielten Ergebnissen aus dieser Arbeit und mit den Befunden anderer Forschungsgruppen diskutiert und ein Modell über die zellulären, neuroinflammatorischen Vorgänge in der Alzheimer-Pathogenese entwickelt. / Activated astrocytes, number of cytokines and growth factors are associated with amyloidogenic deposits in the brain of Alzheimer-patients, pointed to an Alzheimer-associated neuroinflammation, that could be involved in the progression of the neurodegeneration. So far the implication of activated astrocytes in the pathogenesis of Alzheimer's disease is not clear. In this connection the adhesion molecule ICAM-1 was of particularly interest, because it is associated with astrocytes and amyloidogenic deposits. To get insights in a possible pathophysiological role of ICAM-1 in the Alzheimer-associated neuroinflammation, in the first part of this thesis the astrocytic expression of ICAM-1 was investigated dependent on different mitogens, that are relevant to the pathogenesis of Alzheimer's disease. It was shown that the expression of ICAM-1 was enhanced in astrocytes treated with the cytokines IL1[beta], TNF[alpha] and the combination TNF[alpha] with IFN[gamma]. It was shown that an elevation of intracellular concentration of cAMP by forskolin, rolipram and prostaglandines results in an suppressed cytokine-stimulated ICAM-1 expression. But it was impossible to reduce an existing astrocytic activity by these cAMP-elevating agents. Within the scope of additional investigations it was shown that the expression of ICAM-1 was not induce by the amyloid [beta]-peptide, whereas the ICAM-1 expression was strongly enhanced by conditioned media of A[beta]-activated microglia. In the second part of this thesis the investigation of activated astrocytes in the Alzheimer-associated amyloidogenesis is described, the astrocytic processing of the amyloid precursor protein (APP). So far it is believed that the neurons are the main producers of the amyloid [beta]-peptide. But different publications pointed to the possibility that astrocytes could play a direct role in the generation of the amyloidogenic deposits. From this reason the amyloidogenic processing of APP was investigated in activated astrocytes. Besides comparative study of astrocytic and neuronal APP processing it was first shown that activated astrocytes practise more the non-amyloidogenic pathway of APP processing. A characteristic hallmark of activated astrocytes is an increased activity of [alpha]-secretase. Astrocytes that are activated by the cytokines IL1[beta], TNF[alpha] or TNF[alpha] with IFN[gamma] showed an accumulation of non-amyloidogenic C-terminal fragments, increased APP-secretion followed by [alpha]-secretase activity, decreased A[beta]-secretion and enhanced p3-secretion. In conclusion the pathophysiological role of astrocytes in the pathogenesis of Alzheimer's disease was discussed leading to a model of cellular neuroinflammatory events in the pathogenesis of Alzheimer's disease.

Diese Arbeit befasst sich mit der Kinetik der Fehlfaltung und Aggregation von Proteinen. Anhand dreier Beispiele, der Phosphoglyceratkinase (PGK) aus Hefe, einer Variante von Barstar und des Prion-Proteins des Syrischen Hamsters (SHaPrP(90-232)) wurde insbesondere die Kinetik der Bildung von Amyloidfibrillen und deren kinetischer Vorläuferstrukturen mittels dynamischer und statischer Lichtstreuung, Circulardichroismus, Infrarotspektroskopie, Elektronenmikroskopie und teilweise analytischer Chromatographie untersucht. Die Kinetiken wurden mit Konzepten der Aggregationstheorie von Kolloiden und der chemischen Kinetik beschrieben. Die Modellierung der Kinetiken weist ausgehend von der monomeren PGK bei pH 2 und 190 mM NaCl auf eine zweistufige Reaktionskaskade, bestehend aus irreversiblen, bimolekularen Elementarschritten hin. Während der ersten Stufe wird ein engverteiltes Ensemble von Oligomeren mit einer mittleren Masse von 10 Monomeren und wesentlichen Anteilen an beta-Faltblattstrukturen gebildet. Die Protofibrillen entstehen durch die Vereinigung der strukturell polaren Oligomere, die durch die erste Reaktionsstufe bereitgestellt werden und als kritische Oligomere bezeichnet werden. Die gefundene Kopplung des Wachstums der intermediären Zustände und die Zunahme der beta-Faltblattstruktur kann innerhalb eines verallgemeinerten Diffusions-Kollisions-Modells interpretiert werden, bei dem die beta-Stränge durch intermolekulare Wechselwirkungen stabilisiert werden. Die Fehlfaltung und Aggregation des SHaPrP(90-232) bei pH 4.2 und 1 M GuHCl und geeigneten Zusätzen an Salz zeigt einen augenscheinlichen Zweizustandsübergang mit hoher Reaktionsordnung ( >2.5) zwischen dem monomeren, alpha-helikalen Ausgangszustand und einem beta-faltblattreichen, ringförmigen Oktamer. Die Progresskurven der Umwandlung der Sekundärstruktur lassen sich mit dem Zeitverlauf einer bimolekularen Reaktion anpassen. Das Oktamer bildet bei hohen eingesetzten Proteinkonzentrationen Multimere. Auf sehr langen Zeitskalen setzt die Bildung von Protofibrillen ein. Das kritische Oktamer stellt die Vorstufe der nachgeschalteten Wachstumsphänomene dar. Unter geeigneten Umgebungsbedingungen kann der nicht-nativ, partiell gefaltete Zustand von Barstar bei niedrigem pH (A-Zustand) in einem zweistufigen Prozess erst in Protofibrillen und anschlie"send in reife Amyloidfibrillen konvertiert werden. Zur Aktivierung der Konversion des oligomeren A-Zustandes (mittlere Masse von 16 Monomeren) sind moderate Ionenstärken ([NaCl]>0) und erhöhte Temperaturen (T>50°C) notwendig. Die Bildung der Protofibrillen ist unabhängig von der eingesetzten Proteinkonzentration. Bei Raumtemperatur und entsprechender Ionenstärke bilden sich amorphe Aggregate. Dagegen führt die Erhöhung der Temperatur in Abwesenheit von Salz zur Dissoziation des oligomeren A-Zustandes. Alle drei Proteine müssen zur Ausbildung protofibrillärer Strukturen und gegebenenfalls reifer Fibrillen oligomere Zustände mit partiell gefalteter Konformation einnehmen. Diese kritischen Oligomere sind langlebige Intermediate, die den Dreh- und Angelpunkt für die Bildung nachgeordneter Strukturen darstellen. Die Bildung von Amyloidfibrillen ist somit ein mehrstufiger hierarchischer Strukturbildungsprozess. Die in der Literatur bekannten Modelle der nukleierten Polymerisierung und der nukleierten Konformationskonversion werden dem höchstens in gewissen Teilaspekten gerecht. Die Annahme einer universellen Kinetik der Amyloidbildung kann im Lichte der Ergebnisse dieser Arbeit nicht aufrechterhalten werden. Dagegen scheinen die Zustände des kritischen Oligomers und der Protofibrille als Hierarchiestufen der Amyloidbildung generische Bestandteile des Prozesses zu sein. Die Kinetik der Bildung der verschiedenen Hierarchiestufen weist keine nennenswerten Gemeinsamkeiten zwischen den drei untersuchten Proteinen auf. / This thesis deals with the kinetics of misfolding and aggregation of proteins. The kinetics of amyloid formation and precursors of three proteins, phosphoglcerate kinase (PGK), a barstar variante and the Syrian hamster Prion protein (SHaPrP(90-232)) were investigated by the use of dynamic and static light scattering, infrared spectroscopy, circular dichroism, electron microscopy and in part by analytical chromatography. The kinetics were described with concepts from the theory of colloidal aggregation and chemical kinetics. The modelling of the kinetics starting from the monomeric PGK at pH 2 and 190 mM NaCl points to a two stage reaction cascade built up by irreversible, bimolecuar elementary reaction steps. During the first stage a narrow distributed ensemble of oligomeric states with an average mass of ten monomers and essentially ordered amounts of beta-sheet structure is built up. Protofibrils are formed by coalescence of the structural polar oligomers provided by the first stage which are termed critical oligomers. The found coupling between growth and acquisition of beta-sheet structure is interpreted in terms of a generalized diffusion-collision model, where stabilization takes place by intermolecular interactions. The misfolding and aggregation of SHaPrP(90-232) shows an apparent two-state transition between the initial monomeric, alpha-helical state and an beta-sheet rich, annular octamer with high reaction order (>2.5) at pH 4.2 and 1 M GuHCl with appropriate amounts of salt added. Progress curves monitoring the secondary structure transition can be fitted by the time-course of bimolecular reactions. The octamer forms multimers at high protein concentrations. Formation of protofibrils sets up on very long time-scales. The critical octamer is a precursor for all subsequent growth processes. The non-native, partially folded state of barstar at low pH (A-state) can be converted in a two-stage process first to protofibrils and then to mature amyloid fibrils under appropriate environmental conditions. Conversion of the oligomeric A-state (average mass of 16 monomers) can be activated by elevated temperatures (T>50°C) in the presence of moderate amounts of salt ([NaCl]>0). Formation of protofibrils is independent of protein concentration. Amorphous aggregates are formed at room temperature with sufficient amounts of salt added. In contrast elevated temperatures in absence of salt lead to dissociation of the oligomeric A-state. All three proteins have to populate an oligomeric, partially folded state to form protofibrils and eventually mature fibrils. These critical oligomers are long-lived intermediates which are the pivotal point from which all other structures arise. Formation of amyloid fibrils is a hierarchical assembly process where structures are built up by several stages. Models known from the literature, in particular nucleation polymerization and nucleated conformational conversion, only master partial aspects of amyloid formation. The wide-spread assumption of a universal kinetics of amyloid formation turns out to be unjustified. In contrast, the states of critical oligomer and protofibril seem to be generic parts of the hierarchical assembly process. Comparison of the kinetics of each hierarchical level amoung the three investigated proteins shows no considerable similarities.

Eine Gemeinsamkeit verschiedener neurodegenerativer Erkrankungen ist die abnormale Ansammlung von Proteinen im Gehirn, wie z. B. von alpha-Synuclein (Syn)-Aggregaten bei der Parkinson''schen Krankheit (PD) oder von Huntingtin (Htt)-Aggregaten bei Chorea Huntington (HD). Am Anfang dieser Studie wurde eine Bibliothek von ca. 5000 natürlichen Substanzen nach Inhibitoren der Htt-Aggregation durchsucht. Eine der wirksamen Substanzen war (-)-Epigallocatechingallat (EGCG), eine Verbindung, die in grünem und schwarzem Tee vorkommt. Die antioxidativen Eigenschaften von EGCG wurden bereits mit einer neuroprotektiven Wirkung in Verbindung gebracht, was EGCG zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Entwicklung einer neuen Behandlungsmethode macht. Eine inhibierende Wirkung auf Proteinaggregation wurde jedoch bis jetzt noch nicht nachgewiesen. Diese Studie zeigt, dass EGCG die Aggregation von Htt und Syn hemmt, indem es dosisabhängig eine oligomere Proteinkonformation stabilisiert. Diese Oligomere wirken jedoch nicht als Keime in Aggregationsreaktionen. Zusätzlich verändert EGCG die Exposition bestimmter Epitope, die von konformationsspezifischen Antikörpern im Laufe der Aggregation erkannt werden. Daher könnte die Substanz Proteine, die zur Aggregation neigen, auf einen alternativen Faltungspfad in der Missfaltungskaskade führen. Weiterhin legen die Ergebnisse nahe, dass eine direkte Wechselwirkung zwischen EGCG und Proteinen in einer ungefalteten Konformation stattfindet. In verschiedenen Zellkultur-Modellsystemen verringerte EGCG die Toxizität, die von missgefalteten Proteinen ausgeht, was nahelegt, dass die neu geformten oligomeren Spezies nicht toxisch sind. EGCG könnte daher ein chemisches Chaperon darstellen, das die Missfaltung und Toxizität von Proteinen, die mit neurodegenerativen Krankheiten assoziiert sind, verringert. Die Substanz könnte daher die Basis zur Entwicklung einer neuen Therapie für diese unheilbaren Krankheiten darstellen. / A common feature of neurodegenerative disorders is the abnormal accumulation of aggregated protein the brain, such as alpha-Synuclein (Syn) aggregates in Parkinson''s disease (PD) and Huntingtin (Htt) aggregates in Huntington''s disease (HD). In this study, a library of approximately 5000 natural compounds was screened for inhibitors of Htt aggregation. One of the hits was (-)- Epigallocatechin gallate (EGCG), a compound present in green and black tea. The antioxidant properties of this substance have been linked to neuroprotection before, making it a promising candidate for the development of a treatment for neurodegenerative diseases. Inhibition of protein aggregation by EGCG, however, has not been demonstrated so far. This study shows that EGCG inhibits the aggregation of Htt and Syn by stabilizing an oligomeric conformation of the respective proteins in a dose-dependent manner. These oligomers do not seed the aggregation of Htt and Syn. Also, EGCG modifies the exposure of different epitopes recognized by conformation-specific antibodies during the aggregation process. The compound might therefore lead aggregation-prone proteins on an alternative folding pathway in the misfolding cascade. The results furthermore suggest that direct interaction occurs between EGCG and proteins in an unfolded conformation. EGCG also reduces toxicity caused by misfolded Htt or Syn in cell culture model systems, suggesting that the oligomeric protein species formed in the presence of EGCG are not toxic to living cells. EGCG might therefore represent a chemical chaperone that can modulate misfolding and toxicity of proteins associated with neurodegenerative diseases and could provide the basis for the development of a novel pharmacotherapy for these fatal disorders.

Apolipoprotein E (ApoE) ist eine verbreitet vorkommende Komponente der Plasmalipoproteine und spielt eine Schlüsselrolle bei Lipidtransport und Cholesterin-Homöostase über den Low Density Lipoprotein Rezeptor. Im ZNS wird ApoE hauptsächlich von Astrozyten synthetisiert und sekretiert. ApoE-Isoformen haben unterschiedliche Wirkung auf eine Zahl von pathologischen Prozessen, die der Alzheimerschen Krankheit zugrunde liegen. Um die Rolle des ApoE für die Alzheimersche Krankheit zu erhellen, ist es wichtig Kenntnisse über seine Regulation zu erlangen. Ein Ziel dieser Arbeit war zu untersuchen, ob die „Second-Messenger“-Signalpfade „Adenylatcyclase/Proteinkinase A (PKA)“ und/oder „Phospholipase C/Proteinkinase C (PLC/PKC)“ in die Regulation der astrozytären ApoE Sekretion eingreifen. Hierfür wurden primäre hippocampale Astrozytenkulturen von Ratten mit verschiedenen Analoga, Rezeptoragonisten und Neurotransmittern, die diese Signalpfade beeinflussen, inkubiert. Dibutyryl-cAMP (cAMP-Analogon) erhöhte die ApoE Sekretion. Auch Rezeptoragonisten des Adenylatcyclase/PKA-Signalwegs beeinflussten die ApoE Sekretion. Isoproterenol (beta-Adrenorezeptoragonist) erhöhte die ApoE Sekretion, während Clonidine (alpha-2 Adrenorezeptoragonist) sie senkte. Der PKC-Aktivator Phorbol 12-Myristat 13-Acetat senkte die ApoE Sekretion und kehrte die dibutyryl-cAMP-vermittelte Erhöhung der ApoE Sekretion um. Arterenol (alpha-1 Adrenorezeptoragonist) und Serotonin (Neurotransmitter) erhöhten die ApoE Sekretion, wohingegen Carbachol (Acetylcholiner muskarinischer Rezeptoragonist) die ApoE Sekretion senkte. Es wird gezeigt, dass die verwendeten Substanzen einen von der ApoE Sekretion verschiedenen Einfluss auf die Sekretion des Nervenwachstumsfaktors (NGF) haben. Dies legt die Vermutung nahe, dass die beobachteten Ergebnisse nicht auf einen generellen Effekt der Proteinsynthese zurückzuführen sind. Es kann gefolgert werden, dass die astrozytäre ApoE Sekretion von Faktoren beeinflusst werden kann, die die intrazelluläre Konzentration von cAMP verändern oder die PKC aktivieren. Das zweite Ziel der Arbeit war zu untersuchen ob Amyloid Fragmente einen Einfluss auf die astrozytäre ApoE Sekretion haben. Senile Amyloid-Plaques in Alzheimer-Gehirnen zeigen eine ApoE-Immunreaktivität, Astrozyten die diese Plaques umgeben dagegen nicht. Es wird gezeigt, dass gealtertes fibrilläres Amyloid (1-40) die ApoE Sekretion erhöht. Das sekretierte ApoE wird durch die, die Zellen umgebenden Amyloid-Konglomerate, gebunden. Die verwendeten Amyloid Fragmente beeinflussten nicht die Menge des sekretierten basischen Fibroblastenwachstumsfaktors. Dies legt nahe, dass die beobachteten Ergebnisse nicht auf einen generellen Effekt der Proteinsynthese zurückzuführen sind. / Apolipoprotein E (apoE) is an abundant component of plasma lipoproteins that plays a key role in lipid transport and cholesterol homeostasis via the low density lipoprotein receptor. In the CNS, apoE is synthesised and secreted especially by astrocytes. ApoE isoforms have different effects on a number of pathological processes underlying Alzheimer’s disease. Therefore, understanding the regulated synthesis of apoE is important for determining its role in Alzheimer’s disease. One aim of this work was to examine whether the second-messenger-pathways „adenylyl cyclase/proteinkinase A (PKA)“ and/or „phospholipase C/proteinkinase C (PLC/PKC) are involved in the regulation of apoE secretion in astrocytes. Therefore rat primary hippocampal astrocyte cultures were incubated with various analogues, receptor agonists and neurotransmitters which influence these pathways. Dibutyryl-cAMP (cAMP analogue) increased the apoE secretion. ApoE secretion was also modulated by receptor agonists of the adenylyl cyclase/PKA pathway. Isoproterenol (beta-adrenoceptor agonist) enhanced, while Clonidine (alpha 2-adrenoceptor agonist) decreased, the secreted apoE. In contrast, the PKC activator phorbol 12-myrisate 13-acetate decreased the apoE secretion. It also reversed the effects of dibutyryl-cAMP. Arterenol (alpha 1-adrenoceptor) and serotonin (neurotransmitter) enhanced, whereas carbachol (acetylcholine muscarinic receptor agonist) deceased secreted apoE. It is shown, that the used substances have different effects on the secretion of the nerve growth factor (NGF) as compared to apoE secretion, suggesting that the results obtained were unlikely to be due to a general effect on protein synthesis. It can be concluded that actrocytic apoE production can be regulated by factors that affect cAMP intracellular concentration or activate PKC. The second aim of this work was to examine whether amyloid fragments have an effect on the apoE secretion of astrocytes. Senile amyloid plaques in Alzheimer’s disease brains show apoE immunoreactivity, astrocytes which surround them do not. It is shown, that aged, fibrillic amyloid (1-40) increases apoE secretion. The secreted apoE is bound to the surrounding amyloid conglomerates. The used amyloid fragments did not increase or decrease basic fibroblast growth factor secretion, suggesting that the results obtained were unlikely to be due to a general effect on protein synthesis.