Ubiquitin Proteasome system modulation, a novel strategy to control the amyloidogenic pathway involved in Alzheimer’s disease

Alzheimer’s disease (AD), a diffuse form of dementia among the elderly, represents an increasing worldwide problem with no effective solution until today. The etiology of AD is considered complex, while many studies claim that metabolic and vascular dysfunctions are implicated in its progression. One of the prominent features of AD is the extracellular accumulation of amyloid beta (Aβ) peptide, the major protein component of senile plaques in AD brains: the misfolding and aggregation of Aβ exerts cytotoxic effect leading to progressive memory and cognition impairment in AD patients. For this reason, Aβ clearance systems such as the Ubiquitin Proteasome System (UPS), autophagy/lysosome pathway, and metalloproteases are crucial for maintaining physiological status. This research plan aimed to study the molecular mechanisms that are responsible for the pathological development of AD, focusing attention on the pathways that drive the UPS system. This cell machinery is the main control of cellular proteome homeostasis; thereby its failure has been strongly associated with all amyloidogenic-based neurodegenerative diseases where specific aggregation-prone proteins typically accumulate. In our experiments, Aβ has shown to have a relatively significant affinity for Ub, forming 1:1 protein-protein complexes; moreover, water-soluble fragment Aβ 1–16 significantly inhibits Ub chain growth in tube tests. ELISA experiments confirmed non-covalent interactions between Ub and the Aβ peptide in the presence of whole-cell extracts from differentiated SH-SY5Y neuroblastoma cells. In the present study, the regulation of 20S Proteasome activity was evaluated in neuronal cell cultures (SH-S5Y5) throughout a new real-time procedure based on fluorescent measurements of the chymotrypsin-like protease activity. In this way, we screened some proteasome modulators to characterize its molecular basis, identify new potential drugs to be applied in recovering the altered Aβ homeostasis and hence develop innovative therapeutic strategies against AD and related neurodegenerative disease.

Il morbo di Alzheimer (AD), una forma diffusa di demenza tra gli anziani, rappresenta un problema mondiale in aumento senza una soluzione efficace fino ad oggi. L'eziologia dell'AD è considerata complessa, mentre molti studi affermano che disfunzioni metaboliche e vascolari sono implicate nella sua progressione. Una delle caratteristiche di spicco dell'AD è l'accumulo extracellulare del peptide beta-amiloide (Aβ), il principale componente proteico delle placche senili nei cervelli affetti da AD: il ripiegamento errato e l'aggregazione dell'Aβ esercita un effetto citotossico che porta a una progressiva compromissione della memoria e della cognizione nei pazienti con AD. Per questo motivo, i sistemi di rimozione dell'Aβ come il sistema ubiquitina proteasoma (UPS), la via autofagica/lisosomiale e le metalloproteasi sono cruciali per il mantenimento di uno stato fisiologico. Questo progetto di ricerca mira a studiare i meccanismi molecolari responsabili dello sviluppo patologico dell'AD, focalizzando l'attenzione sui meccanismi che regolano il sistema UPS. Tale macchinario cellulare è disposto all'omeostasi del proteoma cellulare; quindi il suo malfunzionamento è fortemente associato a tutte le malattie neurodegenerative a base amiloidogenica in cui si accumulano tipicamente proteine ​​​​specifiche soggette ad aggregazione. Nei nostri esperimenti, Aβ ha dimostrato di avere un'affinità relativamente significativa per Ub, formando complessi proteina-proteina 1:1; inoltre, il frammento idrosolubile Aβ 1–16 inibisce significativamente la crescita delle catene di Ub nei test in provetta. Gli esperimenti ELISA hanno confermato le interazioni non covalenti tra Ub e il peptide Aβ in presenza di estratti integrali cellulari di neuroblastoma SH-SY5Y differenziate. Nel presente studio, la regolazione dell'attività del proteasoma 20S è stata valutata in colture cellulari neuronali (SH-S5Y5) tramite un nuovo metodo in tempo reale basata su misurazioni fluorescenti. In questo modo, abbiamo selezionato alcuni modulatori del proteasoma per caratterizzarne le basi molecolari, identificare nuovi potenziali farmaci da applicare nel recupero dell'omeostasi di Aβ alterata e quindi sviluppare strategie terapeutiche innovative contro l'AD e le malattie neurodegenerative affini.