Einfluss von sekretorischen Fragmenten der APP-Ektodomäne auf mit synaptischer Transduktion assoziierte Rezeptoren

Morbus Alzheimer ist die weltweit häufigste Demenzform und stellt mit steigender Inzidenz eine zunehmende medizinische und gesellschaftliche Herausforderung dar. Trotz intensiver Forschung in den letzten Jahrzehnten bleibt die Pathophysiologie nicht vollständig verstanden und die verfügbaren Therapien beschränken sich auf symptomatische Ansätze wie Acetylcholinesterasehemmer und NMDA-Antagonisten, welche die Krankheitsprogression nicht aufhalten. Im Zentrum der allgemein anerkannten „Amyloid-Hypothese“ steht das Amyloid-Precursor-Protein (APP), ein ubiquitär im zentralen Nervensystem (ZNS) exprimiertes Transmembranprotein, das an der Synapsenbildung, am axonalen Transport und an der Regulation neuronaler Plastizität beteiligt ist. APP kann auf verschiedenen proteolytischen Wegen gespalten werden. Durch die amyloidogene Prozessierung von APP entstehen die zur Aggregation neigenden beta-Amyloide (Aβ), die sich als extrazelluläre Plaques ablagern und eine neurodegenerative Kaskade in Gang setzen. Diese resultiert in zunehmendem Verlust kognitiver Fähigkeiten bei den Betroffenen, bis hin zum kompletten Verlust der Alltagskompetenz und intensiver Pflegebedürftigkeit. Daneben werden bei der proteolytischen Spaltung von APP lösliche Ektodomänfragmente wie APPsα (nicht-amyloidogener Pfad), APPsβ (amyloidogener Pfad) und Aη-α (η-Sekretase-Pfad) freigesetzt, deren physiologische und pathologische Funktionen, insbesondere hinsichtlich synaptischer Transmission und Plastizität, bisher nur unzureichend charakterisiert waren. In dieser Arbeit wurden die drei Ektodomänfragmente elektrophysiologisch untersucht, um ihre Wirkung auf zentrale Rezeptoren der synaptischen Plastizität, den α7-nikotinischen Acetylcholinrezeptor (α7-nAChR) und den N-Methyl-D-Aspartat-Rezeptor (NMDA-R), zu charakterisieren. Die beiden Rezeptoren spielen eine Schlüsselrolle bei der Regulation der Langzeitpotenzierung (LTP) und der Langzeitdepression (LTD) und sind damit direkt an Lern- und Gedächtnisprozessen beteiligt. Zudem gehören Beeinträchtigungen an cholinergen und glutamatergen Synapsen zu den frühesten pathophysiologischen Veränderungen bei Morbus Alzheimer, lange bevor die ersten Amyloid-Plaques nachweisbar sind, was den α7-nAChR und den NMDA-R zu besonders relevanten Zielstrukturen für eine APP-vermittelte Modulation macht. Als Modellsystem dienten Xenopus laevis Oozyten, in denen die Rezeptoren heterolog exprimiert und mittels Two-Electrode Voltage Clamp (TEVC) Gesamtzellströme abgeleitet wurden. Dies ermöglichte eine präzise Charakterisierung der modulatorischen Effekte im nanomolaren Konzentrationsbereich. Die Ergebnisse zeigten, dass APPsα als endogener positiver allosterischer Modulator am α7-nAChR wirkt. Entscheidend ist dabei die C-terminale Sequenz von 16 Aminosäuren (CTα16), die als funktionelle Domäne identifiziert wurde. APPsα potenzierte Nikotin- und Acetylcholin-induzierte Ströme um das Dreifache und verdoppelte die apparente Affinität, ohne die maximale Stromamplitude zu beeinflussen. Die Potenzierung konnte durch den α7-nAChR-Antagonisten Bungarotoxin (BTx) vollständig blockiert werden, was die Rezeptorspezifität unterstreicht. Im Gegensatz dazu zeigt APPsβ, dem die C-terminale Domäne CTα16 fehlt, trotz weitgehender Sequenzhomologie keinerlei Wirkung am α7-nAChR. Für das lösliche Ektodomänfragment Aη-α konnte ein kompetitiver, partieller Agonismus an der Glycin-/D-Serin-Bindestelle des NMDA-R nachgewiesen werden. Aη-α inhibiert die Glutamat- plus Glycin-/D-Serin-induzierten Ströme am NMDA-R konzentrationsabhängig, mit einem IC50 im niedrigen nanomolaren Bereich und umgekehrt proportional zur Konzentration der Ko-Agonisten Glycin und D-Serin. Der partielle Agonismus von Aη-α konnte mittels MDL-100,453 (MDL) einem für die Glycin-/D-Serin-Bindestelle des NMDA-R spezifischen Blocker inhibiert werden, als weiterer Beweis eines über die Bindestelle des Ko-Agonisten ablaufenden Mechanismus. Diese Interaktion weist auf eine ambivalente Rolle von Aη-α hin. Unter physiologischen Umständen könnte Aη-α eine Funktion in der Induktion von LTD übernehmen und so zur synaptischen Homöostase beitragen. Unter pathologischen Bedingungen, etwa in der Umgebung von Amyloid-Plaques, wo Aη-α verstärkt exprimiert wird, führt dieselbe Bindung jedoch zu einer kompetitiven Hemmung der NMDA-R vermittelten LTP und damit zu einer Beeinträchtigung von kognitiven Leistungen wie Lernen und Gedächtnis. Damit zeichnet sich ein Bild, in dem verschiedene APP-Fragmente sowohl komplementär, aber auch antagonistisch in die Regulation von synaptischer Effizienz eingreifen. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen, dass APP nicht nur ein Ausgangspunkt für die Bildung toxischer Aβ-Peptide ist, sondern auch durch seine löslichen Fragmente eine aktive Rolle in der physiologischen und pathologischen Regulation der synaptischen Transduktion spielt. Während APPsα neuroprotektiv und kognitionsfördernd wirkt, könnte Aη-α als pathologischer Gegenspieler wirken und zur synaptischen Dysfunktion beitragen. Aus therapeutischer Sicht ergeben sich hieraus neue Ansätze. Anstatt zu versuchen, die Amyloid-Bildung zu hemmen, mittels Antikörper die vorhandenen Plaques zu reduzieren, oder unspezifisch die cholinerge Transmission im ZNS zu verstärken, könnten spezifische Fragmente oder gar nur deren funktionelle Domäne gezielt als endogener Modulator genutzt werden. Ein auf APPsα oder dessen CTα16-Domäne basierender Wirkstoff hätte das Potenzial, die cholinerge Transmission selektiv zu verstärken, synaptische Plastizität zu stabilisieren und kognitive Defizite direkt zu adressieren, bei vermutlich besserer Verträglichkeit und höherer Spezifität als aktuelle Standardtherapien (Acetylcholinesterasehemmer, Memantin und Lecanemab). Ebenso könnte die gezielte Inhibition von Aη-α bedingten Effekten am NMDA-R einen neuen therapeutischen Zugang darstellen, der pathologische LTD-Mechanismen abschwächt, ohne die physiologische Funktion des NMDA-R vollständig zu blockieren, wie es aktuell mit Memantin praktiziert wird.