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SÉBASTIEN HÉBERT ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA PRÉSÉNILINE-1 HUMAINE : IMPLICATIONS DANS LA MALADIE D’ALZHEIMER Thèse présentée à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval dans le cadre du programme de biologie cellulaire et moléculaire pour l’obtention du grade de Philosophiae Doctor (Ph.D.) FACULTÉ DE MÉDECINE UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC DÉCEMBRE 2003 © Sébastien S. Hébert, 2003

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Page 1: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

SÉBASTIEN HÉBERT

ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA PRÉSÉNILINE-1

HUMAINE : IMPLICATIONS DANS LA MALADIE D’ALZHEIMER

Thèse présentée à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval

dans le cadre du programme de biologie cellulaire et moléculaire pour l’obtention du grade de Philosophiae Doctor (Ph.D.)

FACULTÉ DE MÉDECINE UNIVERSITÉ LAVAL

QUÉBEC

DÉCEMBRE 2003

© Sébastien S. Hébert, 2003

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RÉSUME COURT

La préséniline-1 (PS1) mutée est associée à un développement très précoce de la

maladie (chez les individus de 24-55 ans) d’Alzheimer. Dans la cellule, la PS1 existe

principalement sous forme de fragments (N-terminaux et C-terminaux,

respectivement NTFs et CTFs) qui semblent nécessaires à sa fonction et à l’activité γ-

secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques.

Nous avons étudié l’organisation structurale et fonctionnelle de la PS1, ses fragments,

et leurs relations avec les protéines impliquées dans la production des peptides β-

amyloïdes. Dans un premier temps, des expériences en levure, confirmées avec des

techniques d’immunobuvardage et d’immunoprécipitation en cellules de mammifères,

nous ont permis de mettre en évidence un rôle de l’holoprotéine de la PS1 dans la

génération des fragments NTFs et CTFs. De plus, il a été possible de démontrer une

interaction directe entre PS1 et BACE (enzyme de type aspartyl protéase aussi

appelée β-secrétase), les deux joueurs clés dans la production des peptides β-

amyloïdes. Finalement, l’étude du rôle fonctionnel de cette interaction nous a fournis

des résultats permettant de suggérer une régulation de la PS1 par BACE.

_________________________ _________________________

Dr Georges Lévesque, Ph.D. Sébastien S. Hébert

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RÉSUME LONG

Le gène préséniline-1 (PS1) est associé à la forme familiale de la maladie d'Alzheimer

lorsqu’il est muté. Les mutations dans le gène PS1 (au-delà de 100) sont dominantes,

fréquentes (environ 80% des cas familiaux connus) et conduisent à une forme très

agressive de la maladie (chez les individus de 24-50 ans). Malgré des recherches

intensives au cours des dernières années, les fonctions précises de la PS1 demeurent

inconnues. Des analyses in vivo et in vitro du métabolisme de PS1 révèlent que la

protéine subit une coupure endoprotéolytique. Il en résulte une accumulation de 2

fragments prédominants (N-terminal et C-terminal, respectivement NTF et CTF). Il

semblerait exister un lien intime entre l’activité enzymatique de type γ-secrétase et

l’hérérodimère NTF/CTF de PS1. Dans le cadre de ce projet de recherche, nous

avons étudier d’une façon plus approfondie la relation qui existe entre préséniline-1,

ses fragments, et l’activité γ-secrétase. Plus spécifiquement, à partir des

connaissances structurales acquises de la PS1, nous voulions développer un essai

fonctionnel enzymatique in vivo dans le but d’évaluer le rôle de l’holoprotéine et/ou

des fragments N- et C-terminal normaux et mutées dans le clivage de la protéine

amyloïde. Dans un premier temps, des expériences en levure, confirmées avec des

techniques d’immunobuvardage en cellules de mammifères, nous ont permis de

mettre en évidence un rôle précurseur qu’exerce l’holoprotéine de la PS1 dans la

génération des fragments NTFs et CTFs. De plus, des expériences de type double-

hybride en levure, confirmées avec des techniques d'immunoprécipitation in vitro et

in vivo, nous ont permis de démontrer une interaction entre PS1 et BACE (enzyme de

type aspartyle protéase aussi appelée bêta-secrétase), les deux joueurs clés dans la

production du peptide amyloïde bêta-42 toxique, lequel est le constituant majeur des

plaques amyloïdes observées chez les patients atteints de la maladie d'Alzheimer.

Finalement, l’étude du rôle fonctionnel de cette interaction nous a fourni des résultats

permettant de suggérer une régulation de la PS1 par BACE.

_________________________ _________________________

Dr Georges Lévesque, Ph.D. Sébastien S. Hébert

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REMERCIEMENTS

En premier lieu, je tiens à remercier mon directeur de recherche, le Dr Georges

Lévesque, de m'avoir guidé, encouragé, conseillé, tout en me laissant une grande

liberté et en me faisant l'honneur de me déléguer plusieurs responsabilités dont

j'espère avoir été à la hauteur. De plus, je le remercie pour sa grande disponibilité et

son ouverture d’esprit qui m’ont énormément aidé à terminer ce projet.

Pour les précieux conseils et l’assistance matérielle, je remercie chaleureusement

Madeleine Carreau, Yves Labelle et Edward Khandjian.

Je voudrais remercier sincèrement Caroline, Cédric, Chantal, Isabelle, Mélissa et

Valérie pour leurs discussions, suggestions, et assistance (c’est à dire « bummage »)

matérielle.

De plus, je voudrais remercier ma famille, spécialement mes parents, pour leur

support unique tout au long de ces études.

Finalement, je tiens à remercier tout spécialement mon épouse Maryline. Elle m’a

aidé à surmonter les obstacles qui n’ont pas manqué de surgir tout au long de mon

parcours. Je n’en serais pas arrivé à ce point sans son soutien (et ses corrections de

grammaire !). Je la remercie également pour sa grande patience et ses nombreuses

nuits blanches pour « laisser papa dormir afin qu’il soit en forme le lendemain… »

Le centre de recherche de l’Hôpital St-François d’Assise, à Québec, et la Société

d’Alzheimer du Canada ont généreusement contribué à ce travail par l’entremise de

bourses d’études.

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iv

AVANT-PROPOS

Cette thèse contient l’ensemble des travaux effectués lors de mon doctorat qui a

débuté en janvier 2001. Elle représente l’aboutissement de nombreuses heures de

travail réparties entre le laboratoire, la route, l’hôpital et la maison. Il faut dire que

ces trois dernières années ont été remplies de toutes sortes d’événements incluant un

mariage fortuné et la naissance de ma p’tite choupette.

Mon but est d’offrir un ouvrage agréable à lire, aux lecteurs de tout niveau,

scientifiques ou non. Pour cela, ce travail a été conçu de façon à offrir un contenu

relativement peu pointu. Toutefois, une recherche plus approfondie des références

retrouvées dans la bibliographie ainsi que dans les articles publiés, permettra de

mieux comprendre, au besoin, les mécanismes biologiques présentés dans ce travail.

Dans l’ensemble, ce document contient 7 chapitres répertoriés de façon typique

possédant une introduction, un développement et une conclusion. Vous trouverez

dans le développement les trois articles scientifiques qui ont été publiés pendant de

mon doctorat. Une note précisant mon rôle dans la préparation des articles précède

chacun des chapitres 3, 4 et 5. Joints à l’article prêt pour la soumission au chapitre 6

et aux résultats supplémentaires présentés en annexe, ils résument l’ensemble de mes

recherches effectuées dans le cadre de ce projet.

Ceci étant dit, je vous souhaite bonne lecture

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v

À ma choupette, alias ma p’tite « pitbull », Laeticia

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vi

TABLE DES MATIÈRES

RÉSUMÉ COURT..........................................................................................................i

RÉSUMÉ LONG ...........................................................................................................ii

REMERCIEMENTS.................................................................................................... iii

AVANT-PROPOS ........................................................................................................iv

TABLE DES MATIÈRES ............................................................................................vi

LISTE DES ABRÉVIATIONS.................................................................................. viii

LISTE DES FIGURES ..................................................................................................x

LISTE DES TABLEAUX.............................................................................................xi

LISTE DES ANNEXES …………… …………………………………………...…xii

INTRODUCTION .........................................................................................................1

CHAPITRE I..............................................................................................................1

La maladie d’Alzheimer ........................................................................................1

Origine et statistiques.........................................................................................1

Causes et facteurs de risque ...............................................................................3

Protéines associées à la forme familiale de la maladie d’Alzheimer.....................6

L’AβPP, son métabolisme et la génération des peptides amyloïdes .................7

Les présénilines..................................................................................................9

Propriétés biologiques et biochimiques de la préséniline-1 (PS1).......................10

Distribution cellulaire de la PS1 ......................................................................10

Topologie et métabolisme de la PS1................................................................10

Fonctions putatives de la PS1 ..........................................................................12

La γ-secrétase.......................................................................................................14

La β-secrétase ......................................................................................................20

HYPOTHÈSES POSÉES ET OBJECTIFS .................................................................23

CHAPITRE II ..........................................................................................................23

Analyse de l’organisation structurale de la PS1 ..................................................23

Revue de littérature ..........................................................................................23

Hypothèse et objectif .......................................................................................24

Développement d’un essai fonctionnel enzymatique pour la γ-secrétase............24

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vii

Revue de la littérature ......................................................................................24

Hypothèses et objectifs ....................................................................................25

Méthodologie (résumé)........................................................................................25

DÉVELOPPEMENT ...................................................................................................27

CHAPITRE III .........................................................................................................27

Résumé.................................................................................................................28

Dimerization of presenilin-1 in vivo: suggestion of novel regulatory mechanisms

leading to higher order complexes.......................................................................29

CHAPITRE IV.........................................................................................................52

Résumé.................................................................................................................53

Oligomerization of human presenilin-1 fragments. .............................................54

CHAPITRE V ..........................................................................................................71

Résumé.................................................................................................................72

Presenilin-1 interacts directly with the beta-site APP cleaving enzyme (BACE1).

..............................................................................................................................73

CHAPITRE VI.........................................................................................................92

Résumé.................................................................................................................93

BACE1 immature species regulate PS1 holoprotein levels.................................94

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES ....................................................................124

CHAPITRE VII .....................................................................................................124

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES...................................................................128

ANNEXE 1 ................................................................................................................145

RÉSULTATS COMPLÉMENTAIRES.................................................................145

Résumé...............................................................................................................145

Introduction........................................................................................................145

Matériels et méthodes ........................................................................................146

Résultats.............................................................................................................149

Interprétations, conclusion et perspectives ........................................................150

ANNEXE 2 ................................................................................................................152

ANNEXE 3 ................................................................................................................153

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viii

LISTE DES ABRÉVIATIONS

Unité de mesure :

M : molaire

mM : millimolaire

µg : microgramme

mg : milligramme

g : gramme

µl : microlitre

ml : millilitre

kDa : kilodalton

PM : poids moléculaire

Divers :

α alpha

β bêta

∆ delta

γ gamma

Aβ amyloïde bêta

AβPP « amyloid bêta precursor protein »

AD « Alzheimer’s disease »

ADN acide désoxyribonucléique

ADNc ADN complémentaire

Ade adenine

AICD « AβPP intracellular domain »

Aph-1 « anterior-pharynx defective-1 »

BACE « beta site APP cleaving enzyme »

β-gal β-galactosidase

C83 fragment C83 (possédant 83 acides aminés) de l’AβPP

C99 fragment C99 (possédant 99 acides aminés) de l’AβPP

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C° degrée Celcius

C.elegans Caenorhabditis elegans

CO2 « carbon dioxide »

CTF « C-terminal fragment »

cDNA « complementory DNA »

D. melanogaster Drosophila melanogaster

DAPI « 4', 6-diamidino-2-phenylindole »

DAPT « N-S-phenyl-glycine-t-butyl ester »

DMEM «Dulbecco’s Modified Eagle Medium»

DNA « deoxyribonucleotide acid »

EDTA « ethylenediaminetetraacetic acid »

EOFAD « early onset familial Alzheimer’s disease »

ER « endoplasmic reticulum »

FBS «foetal bovine serum»

FFMA forme familiale de la maladie d’Alzheimer

FL « full-length »

GSK-3 « glycogen synthase kinase-3 »

GST « glutathione S-transferase »

His histidine

HMW « high molecular weight »

Leu leucine

LMW « low molecular weight »

NTF « N-terminal fragment »

PMSF « phenyl-methyl sulfonyl fluoride »

PS1 préséniline-1

PS2 préséniline-2

PVDF « polyvinyldifluoride »

RE réticulum endoplasmique

RNA « ribonucleic acid »

RNAi « RNA interference »

SDS « sodium deodecyl sulfate »

Trp tryptophane

TM transmembranaire

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LISTE DES FIGURES

Figure 1 Les lésions neuropathologiques de la maladie d’Alzheimer.. .........................2

Figure 2 La cascade amyloïde........................................................................................5

Figure 3 Métabolisme de l’AβPP et la génération des peptides Aβ.. ............................8

Figure 4 Structure putative de la PS1. .........................................................................11

Figure 5 Les mutations associées aux formes familiales de la maladie d’Alzheimer et le clivage γ-secrétase.....................................................................................17

Figure 6 Les différents constituants du complexe γ-secrétase.. ...................................18

Figure 7 Mutations de la préséniline-1 et l’AβPP (C99).. ...........................................19

Figure 8 La β-secrétase (BACE)..................................................................................22

Figure 9 Les vecteurs « BD-matchmakers™ » utilisés dans le système « Two- Hybrid system 3 » de Clontech……………………………………….......147

Figure 10 Stratégie utilisée pour étudier le métabolisme de l’AβPP dans la levure..148

Figure 11 Métabolisme de la protéine AβPP dans la levure………………………..149

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LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1 Indices des cas familiaux de la maladie d’Alzheimer…………………..... 6

Tableau 2 Ressemblances biologiques et biochimiques entre la « présénilinase » et la BACE (β-secrétase)……………………………………………………………127

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LISTE DES ANNEXES

Annexe 1 Résultats complémentaires……………………………………………….145 Annexe 2 Mutations de la préséniline-2………………….........................................152

Annexe 3 Les acides aminés et leurs symboles………………………….………….153

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INTRODUCTION

CHAPITRE I

La maladie d’Alzheimer

Origine et statistiques

À la fin du 19ème siècle, l'état de démence d’une personne âgée était considéré par la

grande majorité des gens comme habituel et lié à l'usure normale du temps (Berchtold

and Cotman 1998). Cependant, de plus en plus de médecins croyaient qu’il était

nécessaire d’étudier de façon plus approfondie l’histologie du cerveau dans les

maladies mentales, afin de mieux comprendre ces maladies.

Ce fut en 1906, lors d'une réunion de psychiatres allemands, que le docteur Alois

Alzheimer (1864 – 1915) décrit pour la première fois les symptômes d’une patiente

âgée de 51 ans, atteinte de démence et présentant des hallucinations et des troubles

d'orientation (Gottfries 1988; Boller and Forbes 1998). Puisque cette maladie était

inconnue jusque là, le docteur Alzheimer l’appela « maladie particulière du cortex

cérébral ». À l’aide du microscope, l’analyse histologique du cerveau de la patiente

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avait révélé des dépôts protéiques (plaques), des enchevêtrements neurofibrillaires et

une perte (mort) neuronale, en particulier dans le cortex cérébral et l’hippocampe

(Figure 1). Peu de temps après ces observations, les gens de la communauté médicale

de l’époque donna à cette nouvelle maladie le nom d'Alois Alzheimer (la maladie

d'Alzheimer). Cette description histologique initiale de la maladie d'Alzheimer n’est

guère différente de la description actuelle. Et, comme nous allons le voir, il a été

possible d’avancer plusieurs hypothèses sur les causes de la maladie en s’appuyant sur

ces observations suivantes.

A B

C D

Figure 1 Les lésions neuropathologiques de la maladie d’Alzheimer. A) Schémas originaux des études histologiques du docteur Alois Alzheimer démontrant la présence de lésions (obscurcissement) intracellulaires (enchevêtrements). B) Enchevêtrements neurofibrillaires visualisés avec des nouvelles techniques de coloration et d’observation. C) Schémas originaux des études histologiques du docteur Alois Alzheimer démontrant la présence de corps circulaires à allure fibrilleux avec un noyau dense (plaques). D) Visualisation contemporaine, par technique de coloration au rouge de Congo (« Congo Red »), d’une plaque amyloïde (sénile). La région dense centrale (et sa périphérie) est principalement constituée de peptides Aβ42 insolubles. (Images tirées d’Internet et pouvant être protégées par « copywrite » ©.)

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Aujourd’hui, des études statistiques démontrent que les hommes autant que les

femmes, toutes ethnies confondues, sont à risque de développer la maladie. Dans les

pays occidentaux, la maladie d’Alzheimer est la première cause de démence et la

quatrième cause de décès, précédée par les maladies cardiaques, le cancer et les

accidents vasculaires cérébraux (AVC). Au Canada, cette affection touche près de 30

% des canadiens âgés de plus de 85 ans1. Actuellement, on estime à au-delà de 300

000 Canadiens atteints de la maladie d’Alzheimer. Chose certaine, en raison du

vieillissement rapide de la population, le nombre de cas et les coûts liés aux soins des

gens atteints de la maladie prendront des proportions alarmantes dans les années

futures.

Causes et facteurs de risque

À ce jour, les causes exactes de la maladie d’Alzheimer demeurent inconnues. En

quête de réponses, les chercheurs étudient les facteurs qui semblent avoir une

influence quelconque sur la progression de la maladie. Ce sont les «facteurs de

risque».

Le plus important facteur de risque de la maladie d’Alzheimer est l’hérédité. En effet,

il a été possible de démontrer que certains facteurs génétiques (gènes) influencent le

développement de la maladie. Dans certains cas, ces facteurs sont directement

responsables d'une forme familiale de la maladie. C'est le cas des mutations

autosomiques dominantes des gènes AβPP, préséniline-1 (PS1) et préséniline-2 (PS2)

situés respectivement sur les chromosomes 21, 14 et 1 (Goate 1997; Selkoe 2001).

Dans d'autres cas, les facteurs génétiques influencent le déroulement de la maladie, ce

sont des facteurs de susceptibilité génétique. C'est le cas du gène codant pour

l'apolipoprotéine E sur le chromosome 19 (Higgins, Large et al. 1997).

1 Source tirée de : www.alzheimer.ca

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4

Cependant, ajoutons que les chercheurs actuels s’accordent pour dire que, pour la

majorité des cas, la maladie d'Alzheimer est de causes multifactorielles, c’est à dire

occasionnée par plusieurs facteurs à la fois héréditaires et non héréditaires (Goate

1997; Ling, Morgan et al. 2003). En effet, des études ont permis de démontrer que

seulement 5-10% des cas de la maladie d’Alzheimer représentent des cas familiaux.

L’autre 90-95% des cas de la maladie sont sporadiques2, sans antécédents familiaux et

à étiologie inconnue (Rocchi, Pellegrini et al. 2003). Par exemple, l’âge est un autre

important facteur de risque pour la maladie d’Alzheimer (Ling, Morgan et al. 2003).

En effet, la prédominance de la pathologie double à chaque 5 ans après l’âge de 65

ans. Toutefois, je crois important de mentionner que, contrairement à la croyance

populaire, la démence de type Alzheimer n’est pas un processus normal de

vieillissement.

D’autres facteurs de risque tels l’éducation, l’activité physique, les blessures à la tête,

les métaux lourds, et même la prise de certains médicaments ont été soupçonnés

d’induire et/ou d’accélérer le développement de la maladie (Jorm 1997; Salib 2000).

Cependant, la majorité de ces hypothèses sont basées sur des études statistiques qui,

malheureusement, manquent souvent de preuves convaincantes et reproductibles.

Comme il a été mentionné précédemment, la grande majorité des connaissances sur

les causes probables de la maladie d’Alzheimer proviennent d’études histologiques du

cerveau et de ses pathologies. Donc, il est possible d’imaginer que se sont les facteurs

– génétiques ou non – qui favorisent l’accumulation des soi-disant plaques séniles et

enchevêtrements neurofibrillaires qui sont les vraies causes de la maladie

d’Alzheimer. Effectivement, de fortes évidences in vivo et in vitro (présenté dans

cette thèse) tendent à démontrer que se sont les plaques séniles, et plus

particulièrement les constituants des plaques, nommés peptides amyloïdes Aβ42, qui

sont responsables d’une cascade d’évènements menant à la maladie, la «cascade

amyloïde » (Figure 2) (Hardy and Selkoe 2002). Un bon exemple qui appuie cette

2 En fait, les formes familiales et sporadiques présentent les mêmes empreintes anatomiques (signes neuropathologiques) mais se distinguent par la cinétique de leur apparition. Les formes familiales se caractérisent par un début beaucoup plus précoce et par une évolution plus rapide.

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hypothèse est que les trois gènes présentement associés à une forme familiale de la

maladie d’Alzheimer lorsque mutés, soit l’AβPP et les présénilines, (Tableau 1) ont

tous un rôle propre à jouer dans la production des peptides amyloïdes neurotoxiques.

Figure 2 La cascade amyloïde3. Une accumulation graduelle et l’oligomérisation des peptides Aβ42 (voir origine ci-dessous) entraînent une chaîne d’événements complexes qui ont comme effet final l’apparition graduelle et non réversible des signes neuropathologiques (en caractères gras) et par conséquent des symptômes cliniques de la maladie d’Alzheimer (ex : démence).

3 Source tirée de Hardy, J. and D. J. Selkoe (2002) et adaptée par Sébastien Hébert (2003)

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Tableau 1. Indices des cas familiaux de la maladie d’Alzheimer. Pour chaque gène donné, le nombre de mutations associées au développement d’une forme familiale de la maladie d’Alzheimer ainsi que le nombre de familles porteures du dit gène est indiqué (ainsi que le pourcentage respectif). Note : les mutations non pathogéniques ne sont pas présentées. (Donnés tirés de http://molgen-www.uia.ac.be/ADMutations)

Protéines associées à la forme familiale de la maladie d’Alzheimer

Étant donné que les séquelles neuropathologiques de la forme familiale de la maladie

d’Alzheimer sont les mêmes que celles observées dans la forme sporadique (Sommer

2002), il est possible d’imaginer que l’étude des voies biologiques impliquant les

protéines codées par les gènes associés à une forme familiale de la maladie pourra

nous permettre de mieux comprendre les mécanismes responsables du développement

de celle-ci.

Gène

Nombre de mutations et pourcentages respectifs (%)

Nombre de familles et pourcentages respectifs (%)

AβPP

PS1

PS1

TOTAL

16

133 9

158

10.13

84.18

5.70

43

268

15

326

13.19

82.21

4.60

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L’AβPP, son métabolisme et la génération des peptides amyloïdes

L’AβPP (« Amyloid β Precursor Protein ») fut le premier gène isolé (Kang, Lemaire

et al. 1987; Robakis, Ramakrishna et al. 1987) et associé à une forme familiale de la

maladie d’Alzheimer (Goate, Chartier-Harlin et al. 1991). Aujourd’hui, on a

répertorié plus de 15 mutations différentes dans ce gène, ce qui représentent environ

5-10% de tous les cas familiaux connus (Tableau 1) (Kowalska 2003). L’AβPP est

une glycoprotéine de type 1 transmembranaire à fonction peu connue, bien que de

plus en plus de travaux lui associe un rôle dans le transport protéique kinésine-

dépendante (Annaert and De Strooper 2002; Wolfe 2003). Elle est exprimée de

façon ubiquitaire et trois (3) isoformes principales peuvent être générées par épissage

alternatif. L’isoforme neuronale de l’AβPP a 695 acides aminés (Kitaguchi,

Takahashi et al. 1988).

La protéine AβPP est métabolisée de façon constitutive via deux voies biologiques :

la voie non-amyloïdogénique et la voie amyloïdogénique (Figure 2) (Nunan and

Small 2002; Ling, Morgan et al. 2003) (Evin and Weidemann 2002). Ces deux voies

se distinguent principalement par les enzymes qui clivent l’AβPP et par les

métabolites (fragments) produits. En bref, la voie plus commune dite non-

amyloïdogénigue (c’est à dire qui ne produit pas de peptides amyloïdes) est

caractérisée par deux clivages endoprotéolytiques orchestrés par l’α-secrétase, puis la

γ-secrétase, ayant comme résultat final la production de trois fragments distincts : la

partie AβPP soluble α (AβPPs-α), le domaine AICD («AβPP intracellular domain»)

et le peptide P3. Alternativement, l’AβPP peut être clivée par la β-secrétase (suivi

pareillement par la γ-secrétase) pour produire deux autres fragments dont les peptides

amyloïdes (la voie amyloïdogénique): la partie AβPP soluble β (AβPPs-β) et les

peptides Aβ (en rouge, voir figure 3). Outre un rôle suggéré pour le fragment AICD

dans la transmission des signaux de la membrane vers le noyau (signalisation

cellulaire), l’ensemble de ces fragments n’ont toujours pas de fonction physiologique

précise. Plusieurs mutations retrouvées dans AβPP affecte le clivage γ-secrétase

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ayant pour effet de produire des peptides légèrement plus long (Aβ42) que les

peptides Aβ404 générés par la AβPP sauvage (non mutée) (Figure 4). L’Aβ42 est

considéré neurotoxique par sa propriété hautement insoluble et oligomérisante

(Jarrett, Berger et al. 1993; Jarrett and Lansbury 1993).

Figure 3 Métabolisme de l’AβPP et la génération des peptides Aβ. La voie non-amyloidogénique est initiée par le clivage d’une α-secrétase dans le domaine cytosolique de l’AβPP. Ensuite, la γ-secrétase clive dans le domaine transmembranaire du fragment résiduel (C83) pour générer les peptides P3 et AICD. La voie amyloidogénique, quant à elle, est initiée par la β-secrétase qui clive elle aussi (mais à un endroit différent) la partie cytosolique de l’AβPP. Ensuite, l’action de la γ-secrétase libère les peptides Aβ (et l’AICD) du fragment C99.

4 Suite à l’isolement et la caractérisation des peptides amyloïdes (provenant des plaques séniles), on a pu mettre en évidence que les peptides existent sous deux principales formes, soit de 40 ou 42 acides aminés en longueur (dès lors appelé AβX, « X » correspondant à la longueur en acides aminés).

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De nombreuses études ont montré que la β-secrétase était l’aspartyl protéase

membranaire BACE (voir ci-dessous). Un groupe de métalloprotéases incluant TACE

(« Tumor necrosis factor α-Converting Enzyme ») serait quant à lui responsable

d’une fraction significative de l’activité α-secrétase (Evin and Weidemann 2002).

Comme nous allons le voir, la γ-secrétase est dépendante des présénilines, plus

particulièrement de la préséniline-1.

Les présénilines

En 1995, le gène préséniline-1 (PS1) fut identifié et associé au développement d’une

forme familiale de la maladie d’Alzheimer lorsque muté (Sherrington, Rogaev et al.

1995). À ce jour, plus de 100 mutations différentes sont identifiés dans le gène PS1

(Tableau 1 et www.alzforum.org). Elles sont dominantes, fréquentes (environ 80 %

de tous les cas familiaux connus) et conduisent à une forme très agressive de la

maladie, affectant les individus entre 24-50 ans. PS1 est transcrit dans plusieurs types

de cellules du système nerveux central ainsi qu’au niveau des tissus périphériques

(Sherrington, Rogaev et al. 1995). L’identification d’orthologues dans C. elegans

(Levitan and Greenwald 1995) et D. melanogaster (Boulianne, Livne-Bar et al. 1997)

indique que le gène est très conservé dans l’évolution des organismes pluricellulaires.

Peu de temps après la découverte de PS1, le gène préséniline-2 (PS2) fut isolé et

caractérisé (Rogaev, Sherrington et al. 1995; Sherrington, Froelich et al. 1996). En

fait, l’identification de PS2 reposa sur sa forte homologie avec PS1 (67% chez

l’humain). Contrairement à PS1, les mutations dans le gène PS2 sont rares (9

mutations identifiées) (Tableau 1) et associées à une forme familiale moins agressive

(entre 40-70 ans).

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Propriétés biologiques et biochimiques de la préséniline-1 (PS1)

Distribution cellulaire de la PS1

Dans la cellule, la protéine PS1 est principalement localisée dans les membranes

intracellulaires de l’enveloppe périnucléaire, du réticulum endoplasmique (RE), et de

l’appareil de Golgi (Walter, Capell et al. 1996; De Strooper, Beullens et al. 1997).

Toutefois, avec l’aide de techniques de visualisation et d’imagerie plus modernes,

comme la microscopie électronique de type « immunogold » et la microscopie à

immunofluorescence FLIM («Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy »), des

études récentes ont permis de démontrer qu’une petite quantité de la PS1 peut

également se situer dans certaines vésicules intracytoplasmiques (ex : lysosomes)

(Pasternak, Bagshaw et al. 2003) et dans la membrane cytoplasmique (surface

membranaire) (Kaether, Lammich et al. 2002). Des études immuno-histologiques sur

des cerveaux ont démontré que la protéine PS1 est présente de façon prédominante

dans les neurones (Kovacs, Fausett et al. 1996) et les cellules gliales (Lah, Heilman et

al. 1997).

Topologie et métabolisme de la PS1

La PS1 possède un cadre de lecture de 467 acides aminés et son analyse topologique

prédit une protéine intégralement membranaire. La protéine possède au moins 6

domaines hydrophobiques transmembranaire (TM) et deux domaines acidiques

hydrophiliques; l’un dans la partie N-terminale et l’autre suivant le domaine TM6 (Li

and Greenwald 1996; Lehmann, Chiesa et al. 1997; Li and Greenwald 1998). Ces

deux domaines, ainsi que la partie C-terminale de PS1, sont localisés dans le

cytoplasme (Doan, Thinakaran et al. 1996; De Strooper, Beullens et al. 1997;

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Lehmann, Chiesa et al. 1997). Certaines données avancent que la PS1 peut posséder

entre 6 et 9 domaines transmembranaires en plus d’un segment hydrophobe

additionnel rattaché à la surface de la membrane (Nakai, Yamasaki et al. 1999). Par

convention et par simplicité, la majorité des gens ont adopté un modèle topologique

de la PS1 incluant 8 domaines transmembranaires et deux domaines hydrophobes

attachés à la membrane (Figure 4) (Thinakaran 2001).

Des analyses in vivo et in vitro du métabolisme de PS1 révèlent que la protéine subit

une coupure endoprotéolytique au niveau de sa partie acidique hydrophilique (entre

les acides aminés 292 et 298) par une enzyme inconnue, la « présénilinase » (Figure

4) (Podlisny, Citron et al. 1997; Selkoe 2001; Thinakaran 2001). Il en résulte une

accumulation de 2 fragments prédominants (stœchiométrie 1 :1) d’un poids

approximatif de 28 kDa (N-terminal, NTF) et 18 kDa (C-terminal, CTF) ainsi qu’une

faible quantité résiduelle (holoprotéine) de PS1 intact d’environ 49 kDa.

Figure 4 Structure putative de la PS1. Schéma (non à l’échelle) de la protéine préséniline-1 avec ses huit (8) domaines transmembranaires et deux domaines hydrophobes rattachés à la membrane. La flèche représente le site de clivage endoprotéolytique (a.a. 292-298) de la PS1 effectué par la « présénilinase ».

Des études plus approfondies de l’état natif de la PS1 ont permis de démontrer que

ces fragments s’assemblent pour former un hétérodimère stable (NTF/CTF) (Capell,

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Grunberg et al. 1998; Yu, Chen et al. 1998). Ces mêmes études suggèrent que

l’holoprotéine PS1 est un composant d’un complexe d’environ 100-180 kDa, et que

ces fragments endoprotéolytique (28 kDa et 18 kDa) font partie d’un complexe de

plus de 250 kDa. Jusqu’à présent, aucun rôle physiologique précis n’est connu pour

ces complexes.

Fonctions putatives de la PS1

Les premières expériences visant à déterminer le rôle de la protéine PS1 furent basées

sur des observations de comparaison entre les effets d’une PS1 mutante vis-à-vis la

sauvage. Ces expériences, principalement effectuées dans des conditions de

surexpression, ont pu démontrer que la PS1 (du moins certaines mutations associées

au développement d’une forme familiale de la maladie d’Alzheimer) est impliquée,

directement ou non, dans plusieurs voies biologiques. Par exemple, l’équipe de Guo,

Q. et al. (1996) ont démontré qu’une PS1 mutante perturbe l’homéostasie du calcium

des cellules en culture (Guo, Q., K. Furukawa, et al. 1996). En effet, une protéine

PS1 mutante amplifie de façon anormale la réponse d’un agoniste donné (qui induit la

libération du Ca2+ du réticulum endoplasmique) ayant pour effet d’augmenter la

vulnérabilité des cellules aux agents toxiques (comme, par exemple, l’amyloïde

Aβ42). D’autres études suggèrent que la PS1 jouerait en rôle dans la régulation de

l’apoptose. En fait, il a été démontré qu’une protéine PS1 mutante augmente de façon

considérable la vulnérabilité des cellules en culture face aux agents pro-apoptotique

(la staurosporine par exemple) (Kovacs, D. M., R. Mancini, et al. 1999). Il a même

été proposé que la surexpression d’une PS1 sauvage aurait un effet anti-apoptotique

(Kovacs, D. M., R. Mancini, et al. 1999). L’équipe de Janicki, S.M. et al. (2000),

quant à eux, ont montré qu’une préséniline mutée influence le cycle cellulaire. Plus

spécifiquement, ils démontrent que la surexpression d’une PS1 mutante favorise

l’arrêt du cycle cellulaire des cellules Hela (Janicki, S. M., S. M. Stabler, et al. 2000).

Certains résultats suggèrent même que la PS1 mutante affecte le transport (i.e.

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« trafficking ») protéique. En effet, il a été démontré qu’une PS1 mutante perturbe la

maturation de la protéine AβPP en culture de cellule ayant pour effet d’inhiber et/ou

ralentir le transport de celle-ci, entre autre, à la surface cellulaire (Cai, D., J. Y. Leem,

et al. 2003). Toutefois, un grand nombre de ces études ont été faites dans des

conditions expérimentales particulières (ex : cellules, agents chimiques et approches

expérimentales spécifiques) et, malheureusement, se sont avérées souvent peu

reproductives et non concluantes.

Une des premières évidences associant PS1 à un rôle physiologique précis ont été

obtenues à partir des souris nulles (« knock-out ») pour la PS1 (De Strooper, Saftig et

al. 1998). En bref, leur étude montre que les cellules dérivées de ces souris « knock-

out » ne présentent pas d’activité γ-secrétase et, par conséquent, pas d’accumulation

de peptides Aβ (ni Aβ40 ou Aβ42).

Similairement à ce qui est observé avec le gène AβPP, toutes les mutations retrouvées

dans PS1 (Figure 6) (et PS2 [voir annexe 2]) affectent le clivage γ-secrétase de façon

à favoriser la production du peptide Aβ42 neurotoxique (par rapport à Aβ40) (Figure

5) (Scheuner, Eckman et al. 1996; Selkoe 1999). Ses observations, basées

principalement sur des techniques d’immunobuvardage et d’ELISA (« Enzyme-

Linked Immunosorbent Assay »), ont été reportées dans plusieurs types de cellules

ainsi que dans le cerveau de souris transgéniques surexprimant une PS1 mutée.

À partir des études menées sur le métabolisme de l’AβPP (et Notch (Selkoe 2000)),

les chercheurs ont pu mettre en évidence un nouveau mécanisme biologique répandu

chez les mammifères et qui implique la PS1 (et la PS2) : la RIP (« Regulated

Intramembrane Proteolysis ») (Steiner and Haass 2000; Medina and Dotti 2003; Xia

and Wolfe 2003). En fait, la PS1 joue un rôle évident dans ce processus protéolytique

caractérisé par un clivage (de type γ-secrétase) d’une protéine donnée dans son

domaine transmembranaire (Figure 6). Ce clivage a pour effet de libérer le domaine

intracellulaire de la protéine ainsi clivée (par exemple, dans le cas de l’AβPP, le

fragment AICD est libéré). À part l’AβPP, on évalue aujourd’hui à plus de trente5 le

5 Bart De Strooper, M.D., Ph.D. (2003) Communication personnelle

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nombre de substrats de type 1 transmembranaire clivés par ce mécanisme

protéolytique (par exemple : les protéines homologues à l’AβPP, les APLPs (Walsh,

Fadeeva et al. 2003), Notch (De Strooper, Annaert et al. 1999), Jagged (LaVoie and

Selkoe 2003), Delta-1 (LaVoie and Selkoe 2003), Erb-B4 (Lee, Jung et al. 2002),

CD44 (Murakami, Okamoto et al. 2003), E-Cadhérine (Marambaud, Shioi et al.

2002), Syndécane 3 (Schulz, Annaert et al. 2003), glycoprotéine LRP (May, Reddy et

al. 2002), etc.).

La γ-secrétase

Les premières études portant sur la caractérisation du métabolisme des présénilines

ont permis de démontrer que l’activité enzymatique de type γ-secrétase était

étroitement liée au complexe de haut poids moléculaire contenant, à posteriori,

l’hérérodimère NTF/CTF (Levitan, Lee et al. 2001). Toutefois, étant donné le haut

poids moléculaire du complexe (dépendamment des auteurs, variant entre 250 et 2000

kDa), l’activité γ-secrétase semblait de toute évidence nécessiter la participation

d’autres protéines (Li, Lai et al. 2000; Steiner, Winkler et al. 2002; De Strooper 2003;

Farmery, Tjernberg et al. 2003; Kimberly, LaVoie et al. 2003). Des recherche

intensives au cours des dernières années ont permis de suggérer que l’activité γ-

secrétase est en fait assurée par un large complexe protéique multimérique, appelé

complexe γ-secrétase. De multiples protéines membranaires participent à sa

formation, parmi lesquelles la Nicastrine, l’Aph-1, la Pen-2 et finalement les

présénilines-1 et -2 (et plus particulièrement les hétérodimères NTFs/CTFs) (Figure 7)

(De Strooper 2003; Kimberly, LaVoie et al. 2003; Wolfe 2003).

Dans un premier temps, la protéine Nicastrine fut isolée parce qu’elle intéragissait

avec PS1 dans le complexe de haut poids moléculaire (par technique de co-

immunoprécipitation et isolement du complexe sur gel d’acrylamide). Le gène

nicastrine code pour une glycoprotéine de type 1 transmembranaire. La Nicastrine

possède un cadre de lecture de 709 acides aminés. Elle est exprimée de façon

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ubiquitaire mais préférentiellement dans le cerveau. Dans la cellule, la Nicastrine est

principalement localisée dans le réticulum endoplasmique (RE) et l’appareil de Golgi.

Aussi, tel qu’observé avec la PS1, une petite quantité de la Nicastrine peut également

se situer dans certaines vésicules intracytoplasmiques (ex : lysosomes) et à la

membrane cytoplasmique (surface membranaire).

Peu de temps après la découverte de Nicastrine, les protéines Aph-1 et Pen-2 furent

isolées à partir d’un criblage génétique pour des phénotypes mutants de la voie de

signalisation Notch (« Notch-defective ») chez C.elegans. L’orthologue aph-1

humain code pour une protéine de sept (7) domaines transmembranaires (Figure 6) et

possède un cadre de lecture d’environ 250 acides aminés. Elle est exprimée de façon

ubiquitaire. Trois (3) isoformes peuvent être générées par épissage alternatif : Aph-

1aL (Long), Aph-1aS (Short) et Aph-1b. L’isoforme principale, l’Aph-1aL, a 265

acides aminés et est la principale forme exprimée du cerveau.

L’orthologue Pen-2 (« presenilin-enhancer ») humain code pour une protéine de 2

domaines transmembranaires (Figure 6) et possède un cadre de lecture de 101 acides

aminés. Pen-2 est exprimée de façon ubiquitaire dans plusieurs types de tissus

humains, incluant le cerveau.

Les premières études portant sur la localisation intracellulaire des protéines Aph-1 et

Pen-2 humaines ont permis de démontrer que ces protéines étaient principalement

localisées au niveau du réticulum endoplasmique et de l’appareil de Golgi. Pour

l’instant, il n’est pas connu si ces protéines sont situées à la membrane plasmique.

Même aujourd’hui, le rôle spécifique de ces protéines dans le complexe (et en

général) demeure inconnu. Cependant, l’effet des mutations sur les gènes des

présénilines sur le clivage de l’AβPP en position γ suggère que les présénilines

peuvent elles-mêmes assurer la fonction protéolytique du complexe γ-secrétase

(Wolfe 2003). Toutefois, cette hypothèse est loin de faire l’unanimité, même si de

plus en plus d’évidences biochimiques tendent à prouver ce dogme. Par exemple,

l’équipe de Wolfe et al. (1998) démontra que la PS1 porte des résidus aspartiques

conservés au niveau des domaines transmembranaires 6 et 7, positions qui

s’aligneraient avec le site de clivage γ de l’AβPP (Figure 7) . La mutagenèse dirigée

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de ces deux résidus aspartates de la PS1 empêche le clivage de l’AβPP (Wolfe, Xia et

al. 1999; Kimberly, Xia et al. 2000). De plus, des inhibiteurs de transition de la γ-

secrétase qui mimiquent le site de clivage γ de l’AβPP se lient spécifiquement à la

PS1, plus particulièrement l’hétérodimère NTF/CTF actif (Esler, Kimberly et al.

2000).

Quoique cette hypothèse reste à confirmer, du moins in vitro, la PS1 assure

incontestablement la RIP de l’AβPP (et des autres substrats mentionnés ci-haut)

tandis que les autres membres du complexe γ-secrétase auraient un rôle régulateur de

cette activité de protéolyse (résumé dans :(De Strooper 2003)).

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Figure 5 Les mutations associées aux formes familiales de la maladie d’Alzheimer et le clivage γ-secrétase. A) Suite à un premier clivage par la β-secrétase, l’AβPP génère le fragment C99 (qui possède 99 acides aminés) toujours associé à la membrane et substrat directe de la γ-secrétase. Par un mécanisme encore mal compris, presque la totalité des mutations associées aux formes familiales de la maladie d’Alzheimer altère l’activité et/ou le spécificité de la γ-secrétase de façon à favoriser la production de l’amyloïde Aβ42 (versus Aβ40). B) Dans des conditions dites normales (sauvages) la production des peptides Aβ40 est favorisée à Aβ42 par un facteur d’environ 9 fois à 1. Les mutations associées aux formes familiales de la maladie d’Alzheimer ont pour effet de modifier le rapport (d’environ 2 à 5 fois) et non la quantité des peptides Aβ42 produits.

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Figure 6 Les différents constituants du complexe γ-secrétase. Les homologues présénilines (principalement les hétérodimères), combinés aux protéines Aph-1, Nicastrine et Pen-2 constituent l’ensemble minimal du complexe γ-secrétase actif. Toutes ces protéines sont transmembranaires. La manière dont les protéines s’associent pour cliver la protéine AβPP dans son domaine transmembranaire reste un phénomène toujours inexpliqué. De plus, on ignore si ce complexe est stable et dans quel(s) compartiment(s) souscellulaire(s) il réside. Finalement, la manière dont les mutations associées aux formes familiales de la maladie d’Alzheimer affectent l’ensemble du complexe pour favoriser la production des peptides Aβ42 demeure du domaine de l’inconnu.

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Figure 7 Mutations de la préséniline-1 et l’AβPP (C99). Schéma (non à l’échelle) des mutations (acides aminés en rouge) associées au développement d’une forme familiale de la maladie d’Alzheimer dans la protéine PS1 ainsi que dans l’AβPP (une portion du fragment C99 est montré ici). La mutagenèse dirigée des résidus aspartiques conservés que porte la PS1 au niveau des domaines transmembranaires 6 et 7 (acides aminés en bleu) empêche le clivage de l’AβPP, et par conséquent, la génération de peptides Aβ. (Image adaptée de John Hardy, National Institute on Aging, Bethesda, MD et mise à jour par Sébastien Hébert 2003).

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La β-secrétase

En 1999, quatre groupes de chercheurs indépendants ont cloné et caractérisé BACE

(« β-site APP Cleaving Enzyme »), la β-secrétase impliquée dans le premier clivage

de la génération de l’amyloïde-β 42 neurotoxique (Hussain, Powell et al. 1999;

Sinha, Anderson et al. 1999; Vassar, Bennett et al. 1999; Yan, Bienkowski et al.

1999). BACE est une enzyme de la famille des aspartyl protéases. Le gène bace code

pour une protéine de type 1 transmembranaire de 501 acides aminés. BACE est

exprimée dans plusieurs types cellulaires et organes mais plus particulièrement chez

le pancréas et le cerveau. Tel qu’observé avec la PS1, la protéine BACE est localisée

principalement dans la région du réticulum endoplasmique et de l’appareil de Golgi

(Haass, Lemere et al. 1995; Kitazume, Tachida et al. 2001; Huse, Liu et al. 2002).

Toutefois, de petite quantité de BACE semble présente à la surface membranaire ainsi

que dans certaines vésicules cytoplasmiques (endosomes) (Kinoshita, Fukumoto et al.

2003).

La protéine BACE subit une maturation post-traductionnelle de sorte que son pro-

domaine est libéré par l’action d’une furine dans l’appareil du Golgi (Bennett, Denis

et al. 2000). Par son homologie avec d’autres aspartyl protéases (Richter, Tanaka et

al. 1998), les gens croient que l’holoprotéine (protéine avec le pro-domaine) est en

fait un zymogène6. Toutefois, des expériences in vitro avec la BACE purifiée

suggèrent que la présence du pro-domaine n’influence pas ou peu l’activité de BACE

sur l’AβPP (Benjannet, Elagoz et al. 2001; Shi, Chen et al. 2001; Lullau, Kanttinen et

al. 2003). Cette hypothèse reste à être confirmée in vivo.

6 Définition : Un zymogène est une enzyme non active. Les résidus du centre actif se trouvent éloignés dans le zymogène. La scission d'une liaison permet un réarrangement spatial, puis un changement de conformation rend la molécule active. Les zymogènes permettent aux cellules de produire des enzymes et de les activer uniquement quand c'est nécessaire. Les zymogènes font partie des moyens de contrôle de la protéolyse dans les cellules.

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Des analyses de l’expression de BACE dans la cellule confirment que les α- et β-

secrétases sont en compétition pour agir sur leur substrat AβPP (Tyler, Dawbarn et al.

2002). Par ailleurs, la surexpression de cette protéase augmente les clivages aux

niveaux de l'aspartate 1 et du glutamate 11 (sites endoprotéolytiquse précédemment

reconnus comme substrats à la β-secrétase) mais pas à d’autres endroits sur l’AβPP

(Howlett, Simmons et al. 2000). À l’inverse, si on inhibe l’expression de BACE

endogène (par exemple, avec des oligonucleotides anti-senses ou par RNAi), il y a

une baisse très importante de l’activité β-secrétase endogène (Vassar, Bennett et al.

1999; Luo, Bolon et al. 2001; Basi, Frigon et al. 2003). Des expériences in vitro sur

la BACE purifiée montrent que ce n’est pas un simple co-facteur, ni un activateur

pour une β-secrétase inconnue. Son activité directe sur le substrat AβPP démontre

réellement son rôle d’enzyme β-secrétase.

Curieusement, des études récentes sur la souris nulle pour la BACE ne révèlent

aucune aberration phénotypique apparente (Luo, Bolon et al. 2001; Roberds,

Anderson et al. 2001). Outre le manque évident d’activité β-secrétase endogène et de

production de peptides amyloïdes (Aβ40 et Aβ42), il semblerait que l’ablation du

gène bace n’affecte pas, à priori, la santé de la souris. Toutefois, d’autres études

viennent de démontrer que l’AβPP n’est pas le seul substrat de BACE (Kitazume,

Saido et al. 2002; Kametaka, Shibata et al. 2003; Lichtenthaler, Dominguez et al.

2003; Scholefield, Yates et al. 2003) et qu’il soit possible que l’ablation de ce gène

pourrait avoir un effet à long terme sur la santé des souris (et chez d’autres

mammifères) .

À ce jour, aucune mutation ni polymorphisme spécifique de bace n’ont pu être

associée au développement de la maladie d’Alzheimer, soit la forme familiale ou

sporadique (Cruts, Dermaut et al. 2001; Liu, Leu et al. 2003). Toutefois, trois études

très récentes démontrent une augmentation significative de la quantité de la protéine

et de l’activité de la BACE dans les cerveaux des patients atteints de la forme

sporadique de la maladie d’Alzheimer (Fukumoto, Cheung et al. 2002; Holsinger,

McLean et al. 2002; Tyler, Dawbarn et al. 2002). Cette élévation n’a toutefois pas

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encore été mesurée chez la forme familiale. Le rôle physiologique de cette

augmentation n’est pas connu.

Figure 8 La β-secrétase (BACE). Schéma (pas à l’échelle) de la protéine BACE. BACE est une protéine de type 1 transmembranaire. BACE est synthétisée comme protéine précurseur (zymogène) de 501 acides aminés. Au niveau de l’appareil de Golgi, BACE est clivée par la furine ce qui mène à une perte de son pro-domaine. Toutefois, il n’est présentement pas clair si cette action a un rôle à jouer dans la régulation de l’activité de la BACE, et par conséquent, la production des peptides amyloïdes.

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HYPOTHÈSES POSÉES ET OBJECTIFS

CHAPITRE II

Les projets de recherche réalisés dans mon laboratoire d’accueil ont pour objectifs

principaux d’apporter des éclaircissements sur la fonction de la préséniline-1 (PS1).

Cette étude avait pour but d’étudier la relation qui existe entre PS1 et l’activité γ-

secrétase. Plus spécifiquement, nous voulions approfondir le rôle qu’exerce PS1 dans

la régulation de l’amyloïde-bêta 42 neurotoxique. Pour atteindre ce but, j’ai

développé les deux objectifs spécifiques ci-dessous.

1) Analyse de l’organisation structurale de la PS1

Revue de littérature

Bien qu’il soit convenu que diverses interactions intra- et intermoléculaires modulent

l’organisation structurale de la PS1 (Ratovitski, Slunt et al. 1997; Saura, Tomita et al.

1999; Thinakaran 2001), aucune littérature ne tente de démontrer les régions de

contact. D’autres études portant sur des protéines multi-transmembranaires, telles les

« G-protein coupled receptors » (GPCRs) et la « cystic fibrosis transmembrane

conductance regulator » (CFTR), ont permis de démontrer que plusieurs régions de

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24

contacts intra- et intermoléculaires, et ce, au sein de la même protéine, peuvent

réguler de façon différée le comportement et/ou l’activité de celles-ci (Lomize,

Pogozheva et al. 1999; King and Sorscher 2000; Kirk 2000; Lee, Xie et al. 2000).

Hypothèse et objectif

Étant donné la forte homologie structurale entre la PS1 et les GPCRs/CFTR, nous

pouvons imaginer que différentes régions intramoléculaires peuvent réguler

indépendamment ou collectivement la localisation, la maturation, l’hétérodimérisation

et, par conséquent, l’activité enzymatique étroitement associée à PS1. De plus, étant

donné la disparité et le nombre surprenant des mutations dans le gène de PS1 (figure

6), il semble évident que l’analyse structurale de la PS1 normale et mutée soit une

étape primordiale dans l’étude structuro-comportementale de celle-ci. En

conséquence, un des objectifs premiers de ma recherche est d’étudier l’organisation

structurale de la PS1.

2) Développement d’un essai fonctionnel enzymatique pour la γ-secrétase

Revue de la littérature

Diverses fonctions telles la transmission de signaux intracellulaires,

l’induction/suppression de l’apoptose, et le trafic de protéines ont été suggérées pour

la PS1 (Wolozin, Alexander et al. 1998; Fraser, Yang et al. 2000; Selkoe and Wolfe

2000). De plus, il a été rapporté que la PS1 est impliquée dans la régulation du

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25

clivage protéolytique du précurseur de la protéine amyloïde réalisé par une secrétase

peu connue (γ-secrétase) (De Strooper, Saftig et al. 1998). Toutefois, cette dernière

proposition est loin de faire l’unanimité (Small 2001). Comment les fonctions

physiologiques normales de PS1 sont médiées et comment les mutations dans la PS1

altèrent ce clivage de façon telle que cela conduit à une augmentation du niveau de

l'amyloïde-β neurotoxique (la forme Aβ42) demeurent du domaine de l’inconnu.

Hypothèses et objectifs

Contrairement à BACE, il n’a pas été possible de démontrer clairement une activité

enzymatique intrinsèque pour la PS1 in vivo ni in vitro; faute d’essai enzymatique

convenable. Il semblerait que, pour exercer une influence enzymatique de type γ-

secrétase, la PS1 doit se retrouver dans un contexte environnemental précis (pH

acidique, ancrée à la membrane, etc.). De plus, il est possible que la PS1 doit se

retrouver liée à d’autres protéines comme, par exemple, la Nicastrine, la Pen-2 ou

l’Aph-1 qui, elles aussi, influenceraient l’activité γ-secrétase (Esler, Kimberly et al.

2002; De Strooper 2003). Donc, à partir des connaissances structurales de la PS1, je

propose de développer un essai fonctionnel enzymatique in vivo dans le but d’évaluer

le rôle de l’holoprotéine et/ou des fragments N- et C-terminal normaux et mutés dans

le clivage de la protéine amyloïde AβPP.

Méthodologie (résumé)

De plus en plus de publications tentent de démontrer que la préséniline-1 et l’AβPP

peuvent s’exprimer et se comporter de façon physiologiquement similaire à une

cellule dans la levure (Zhang, Komano et al. 1994; Evin, Le Brocque et al. 2000;

Song, Ohba et al. 2000; Cervantes, Gonzalez-Duarte et al. 2001; Edbauer, Winkler et

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26

al. 2003). Puisqu’il n’existe aucune activité endogène de type β- ni γ-secrétase dans

la levure (ni d’homologue de l’AβPP) (www.ncbi.nlm.nih.gov), il est possible

d’imaginer que la levure puisse être un modèle biologique de choix afin de

développer un essai enzymatique in vivo pour la γ-secretase. De plus, il est possible

de prendre avantage des souches de levure Y187 et AH109 et des vecteurs pGBKT7

et pGADT7 (Clontech) afin de vérifier une interaction entre les protéines impliquées

dans le métabolisme de l’amyloïde-β par le système de double-hybride (décrit par le

manufacturier et brièvement dans les chapitres 3, 4 et 5). Bien que le système de

double hybride en levure présente certaines limites techniques pouvant mener à des

résultats de type « faux-positifs » (par exemple, avec l’étude de protéines

transmembranaires, il est possible d’observer une interaction non spécifique entre

deux régions hautement hydrophobes –i.e. deux domaines transmembranaires –), cette

approche s’est avérée fonctionnelle avec d’autres protéines transmembranaires

incluant la PS1 (Lévesque, G., G. Yu, et al. 1999). Finalement, l’absence de PS1

endogène dans la levure nous permettra de tester la (les) propriété(s)

oligomérisante(s) (analyse structuro-comportementale) de l’holoprotéine et/ou des

fragments PS1 NTFs et CTFs normaux et mutés.

En résumé, la réalisation des différents objectifs du projet fait appel à l’utilisation de

nombreuses techniques de biologie cellulaire et moléculaire, dont les plus importantes

sont la culture de levure, la culture cellulaire, la transfection, la transformation de

levure, l’immunobuvardage, l’immunoprécipitation et l’immunohistochimie.

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DÉVELOPPEMENT

CHAPITRE III

Dimérisation de la préséniline-1 in vivo : suggestion de nouveaux

mécanismes de maturation pouvant mener à des complexes de

haut poids moléculaire

Note : Ce chapitre, présenté sous la forme d’un manuscrit publié dans la revue Biochemical and Biophysical Research Communications (Biochem. Biophys. Res. Commun. 2003, Jan 31;301(1):119-26.), résume une partie des travaux effectués dans le cadre de mon projet de doctorat. Plus spécifiquement, ce travail contient des expériences visant à atteindre mon premier objectif de travail (décrit dans le chapitre 2 à la page 23). Comme ma contribution dans la conception (approches expérimentales), la réalisation (constructions plasmidiques et manipulations) et la rédaction (incluant le montage des figures) de ce travail est majoritaire, mon nom apparaît comme premier auteur sur le manuscrit. Toutefois, il est important de souligner l’apport très apprécié de ma consoeur de laboratoire, Mme Chantal Godin, dans la réalisation technique de ce travail. En gros, Mme Godin a amplifié par PCR puis cloné les fragments PS1 NTF et CTF dans les vecteurs d’expression de levures pGBKT7 utilisés dans cet ouvrage. De plus, nous tenons à remercier les Drs. Takami Tomiyama et Hiroshi Mori, de l’Université Médicale Osaka, pour l’anticorps monoclonal PSN2 utilisé dans ce travail. Cet article est disponible sur Internet en version originale anglaise à l’adresse électronique suivante : http://dx.doi.org/10.1016/S0006-291X(02)02984-4

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Résumé

Traditionnellement, les présénilines sont représentés comme des protéines

monomériques composés de huit domaines transmembranaires. Au cours des

dernières années, plusieurs données biochimiques et fonctionnelles démontrent que

ces protéines peuvent exister sous forme de complexes oligomériques de poids

moléculaire variable. Cette étude avait pour but d’étudier les propriétés

oligomérisantes des présénilines, plus particulièrement la préséniline-1 (PS1). Par

technique de double-hybride en levure, nous démontrons que l’holoprotéine PS1 peut

s’oligomériser pour former des homodimères. Lorsque surexprimée en cellules N2A

et HEK293T, l’holoprotéine PS1, avec ou sans tag, forme des homodimères

spécifiques (correspondant au double de leur poids moléculaire respectifs) tels que

visualisés par immunobuvardage. Les mutations associées à une forme familiale de la

maladie d’Alzheimer Y115H, M146L, L392V et ∆exon 10, ainsi que la mutation

dominante négative pour l’activité γ-secrétase D257A, n’affectent pas les propriétés

homo-oligomérisantes de la PS1. Dans des conditions d’extraction protéique non-

dénaturantes, la PS1 endogène peut former des homodimères spécifiques tels

qu’observées par immunobuvardage dans différentes lignées cellulaires humaines.

L’ensemble des résultats suggèrent que la PS1 peut s’oligomériser pour former des

homodimères. Donc, la PS1 possède des domaines de liaisons intra-moléculaires

essentiels à la formation des complexes oligomériques étroitement associés au clivage

endoprotéolytique de celle-ci et à l’activité γ-secrétase.

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Dimerization of presenilin-1 in vivo: suggestion of novel regulatory

mechanisms leading to higher order complexes.

Sébastien S. Hébert1, Chantal Godin1, Takami Tomiyama3, Hiroshi Mori3 and

Georges Lévesque1, 2

1Molecular and Human Genetics Unit, CHUQ-Pavillon St-François d'Assise, 10 rue

de l'Espinay, Québec, Canada G1L 3L5, 2 Medical Biology Department, Laval

University, Quebec, Canada, G1K 7P4 and 3 Department of Neuroscience, Osaka City

University Medical School 1-4-3 Asahimachi, Abenoku, Osaka 545-8585, Japan

Address correspondence to: Dr. Georges Lévesque, Molecular and Human Genetics

Unit, CHUQ-Pavillon St-François d'Assise, 10 rue de l' Espinay, Québec, Canada

G1L 3L5.

Tel: 418-525-4444 ext 3752

Fax: 418-525-4195

Email: [email protected]

Running title: Presenilin-1 self-association.

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ABSTRACT

A growing body of evidence indicates that presenilins could exist and be active as

oligomeric complexes. Using yeast two-hybrid and cell culture analysis, we provide

evidence that presenilin-1 (PS1) may self-oligomerize giving rise to specific full-

length /full-length homodimers. When expressed in N2A and HEK239T cultured

cells, full-lenght PS1-wt and 5’myc-PS1-wt form specific homodimers corresponding

to twice their molecular weight. The Alzheimer’s disease-associated PS1 mutations

Y115H, M146L, L392V, ∆E10(PS11-289/320-467), the γ-secretase dominant negative

mutant D257A and the PS1 polymorphism mutant E318G do not affect their ability to

self-oligomerize. Under non-denaturing conditions, endogenous PS1 forms specific

homo-oligomers in human cultured cells. The results obtained herein suggest that

PS1 associates intramolecularly to form higher order complexes, which may be

needed for endoproteolytic cleavage and/or γ-secretase-associated activity.

KEYWORDS

Presenilin, γ-secretase, oligomerization, protein dimerization, yeast two-hybrid,

western blotting.

INTRODUCTION

Alzheimer’s Disease (AD) is, among other amyloidosis-related diseases, the most

common cause of presenile death in the elderly. The pathological features of AD are

neuronal loss, neurofibrillary tangles and amyloid (senile) plaques. Most cases of

early onset familial Alzheimer’s Disease (EOFAD) disease are associated with a point

mutation in presenilin 1 (PS1). To date, over one hundred different mutations have

already been found in this gene (for references, see www.alzforum.org). PS1 is a

polytopic transmembrane protein located primarily in the endoplasmic reticulum

(ER), the early Golgi and, to a lesser extent, at the cell surface and nuclear membrane

(1,2-4). The precise role of PS1 is not fully understood as it is associated with

multiple biological functions such as protein folding and trafficking, intracellular

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adhesion, calcium homeostasis, GSK-3 and Tau metabolism, signal transduction,

neuronal apoptosis and γ-secretase cleavage (4).

The PS1 protein is approximately 45-50 kDa in size and undergoes a series of

proteolytic cleavages by ‘presenilinase’ to generate N-terminal (NTF) and C-terminal

(CTF) fragments of approximately 32-35 and 16-20 kDa, respectively. The

stoichiometry of these fragments is maintained on a 1:1 ratio such as artificial

expression of PS1 results in only a modest increase in these fragments. It has also

been reported that overexpression of PS1 may lead to the formation of aggresomes

(5). Endogenous PS1 forms low (~ 100-180 kDa) and high (> 250 kDa) molecular

weight complexes containing both full-length (fl) and heterodimeric NTF and CTF (6-

9). Recently, studies have identified PS1 key binding partners such as β-catenin and

nicastrin which seem to act on or at least “help” PS1 to maintain these distinct

oligomers (1,8,10). However, even if a growing number of studies is underway to

understand the enzymatic-related properties of PS1, little is known about the kinetics,

the regulation, the contents and the exact function(s) of these complexes, particularly

the low molecular weight (LMW) species. Compelling evidences show that γ-

secretase activity, which seems to be the ‘key’ function of these PS1 complexes, is

associated to the highest (i.e.>250 kDa) molecular weight complex (8,11). However,

certain authors argue this concept (12). Moreover, it has been speculated that a

limited abundance of another unknown component of the PS1 complexes restrains the

amount of PS1 that can be stabilized in complexes (13). Since other numerous

binding partners of PS1 have been elucidated (14) and their relation to presenilin

function have not been fully understood, it is necessary to understand PS1 complex

maturation and its link, if any, in the cellular mechanisms leading to the pathogenesis

of Alzheimer’s disease. To gain new insights on PS1 structure and function in vivo,

we have studied its oligomerization properties. Here, we provide evidence that

human wild-type (wt) or mutant PS1 may self-oligomerize giving rise to full-

length/full-length homodimers. The AD-associated PS1 mutations Y115H, M146L,

L392V, ∆E10(PS11-289/320-467), the γ-secretase dominant negative mutant D257A and

the polymorphism mutant E318G (15-17) do not affect PS1 ability to self-

oligomerize.

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MATERIALS AND METHODS

1) Yeast two-hybrid assays.

cDNA sequences encoding various parts of human PS1 were amplified by PCR using

the Herculase Taq polymerase (Stratagene). The following PS1 constructs were

prepared: fl-PS1wt (PS11-467), fl-PS1-E318G, fl-PS1-D257A, fl-PS1-L392V, NTF

(PS11-291) and CTF (PS1292-467). Constructs were cloned both into pGBKT7 and

pGADT7 vectors (Clontech) as a fusion to the Gal4-DNA binding domain and Gal4-

DNA activating domain, respectively. Each construct was sequenced and shown to be

free of autonomous Gal-4 activation.

Each of the pGBKT7-construct was co-transformed into Y187 or AH109

Saccharomyces cerevisiae strain (Clontech) together with each pGADT7-construct.

Transformants were selected on yeast drop-out media (Clontech) that lacked both

tryptophan and leucine (-TL) and assayed for β-galactosidase activity (β-gal) in the

case of Y187 or histidine (His) and adenine (Ade) activity in the case of AH109.

Negative control experiments were directed against empty vectors (either pGBKT7 or

pGADT7), or Lamin C (Clontech). Positive controls included pGBKT7-p53/

pGADT7-T antigen and pGBKT7-PS1Loop6-7/pGADT7-hNPRAP as previously

described (1).

2) Preparation of yeast cell lysates and immunoblotting.

Transformed yeasts were harvested by centrifugation and washed twice in sterile

H2O. Yeast pellets were lysed in liquid nitrogen then thawed on ice. Acid washed

glass beads (Sigma) (~250 µl) were added to the cells with 300 µl of yeast extraction

buffer (Clontech), 1 mM PMSF and mini-complete protease inhibitors (Roche-

Diagnostic). The mixture was subjected to four cycles of : vortexing at full-speed 30

sec, then placed on ice for another 30 sec. 5% v/v of β-mercaptoethanol was added to

the samples. Samples were then boiled for 2 min and centrifuged at 14,000 rpm. 10

µl of supernatants were loaded on a 4-20% gel and subjected to SDS-PAGE. Blots

were probed with either the anti-c-myc (Roche Diagnostics), anti-PS1 Ab14 (gift from

Dr P. Fraser), PSN2, N-19 (Santa Cruz) or C-20 (Santa Cruz) antibodies.

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33

3) Cell culture and transfection.

Murine neuroblastoma 2A (N2A) and human embryonic kidney 293T (HEK293T)

cells were cultured in Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM, Gibco)

supplemented with 10% (v/v) fetal bovine serum (Biomedia) and Geneticin®

antibiotics (Invitrogen). Stock cultures were maintained at 37 °C in a humidified

atmosphere consisting of 5% CO2, 95% air. For overexpression studies, N2A or

HEK293T cells were transiently transfected with cDNAs corresponding to: human

PS1-wt, human PS1-wt tagged at the N-terminus with c-myc, EQKLISEEDLN,

(PS1wt-5’myc), a FAD-associated splicing mutation, exon 10 deletion, (PS1 ∆E10), a

FAD-associated mutant Y115H (PS1 Y115H) and an aspartate 257 mutant (PS1

D257A) expressed from pcDNA3 (Invitrogen). Constructs (10 µg) were transfected

using LipofectAMINE® according to the manufacturer’s protocol (Life Technologies,

Inc.). Cells were harvested and processed for immunoblot analyses 48 h after

transfection.

4) Preparation of cell lysates and immunoblotting.

For typical (i.e. denaturing and reducing) SDS-PAGE, HEK293T, N2A and PS1 K/O

native cells, as well as PS1-transfected cells, were washed twice with ice-cold

phosphate buffer saline (PBS) then lysed for 30 min on ice in lysis buffer A [25 mM

HEPES, 150 mM NaCl, 1% Triton X-100, 0.1% SDS, 2 mM EDTA, 1 mM PMSF

and mini-complete protease inhibitors (Roche-Diagnostic)]. Insoluble material was

removed by centrifugation at 13,000 X g for 15 min at 4°C. Equal amounts of

proteins were fractionated on Novex® 4-20% Tris-Glycine gels (Invitrogen) by SDS-

PAGE and transferred onto PVDF membrane (Amersham) using the XCell II™ Mini-

Cell blot module (Invitrogen) according to the manufacturer protocol. For native

PAGE (i.e. non-denaturing), native PS1-K/O mice cells, as well as native and

transfected HEK293T cells, were lysed under non-denaturing conditions using lysis

buffer B [25 mM HEPES, 150 mM NaCl, 1% Triton X-100, 2 mM EDTA, 1mM

PMSF and complete protease inhibitors (Roche-Diagnostic)]. Equal amounts of

proteins were mixed with Novex® 2X native sample buffer (0.5 M Tris-HCl, pH 8.8,

glycerol 20%, bromophenol blue 0.1%), incubated at 37°C for 15 min, then subjected

to native PAGE as described by the manufacturer. For “revisited” native PAGE (i.e.

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34

partially denaturing), equal amounts of proteins were mixed with Novex® 2X native

sample buffer then subjected to SDS-PAGE (i.e. with SDS-PAGE running buffer).

Western blots were probed with the appropriate antibodies, c-myc, Ab14, PSN2, N-19

or C-20 and detected using chemiluminescence detection system, ECL plus

(Amersham).

5) Protein Extraction from SDS-PAGE gel.

Migration of protein extracts under partial (i.e. “revisited”) denaturing conditions was

performed as described above. For each sample, approximately 1 mg of total protein

(60 mm confluent dish) was deposited on the gel. After a preliminary electrophoretic

run, the gel was cut at the molecular weight range corresponding to the PS1 dimer

(approximately 3-4 mm wide). Excised polyacrylamide gel bands were crushed,

resuspended in 100 µl of lysis buffer A and incubated at 37°C for 1 h. Following

incubation, 100 µl of Novex® 2X reducing sample buffer was added to each sample.

Samples were boiled for 2 min then 20 µl of the recuperated proteins (surnageant)

were resubjected to SDS-PAGE.

RESULTS AND DISCUSSION

Human presenilin-1 interacts with itself. Yeast two-hybrid assay, an in vivo system lacking endogenous PS1, was used to

investigate potential homodimerization between PS1 proteins. This initiative was

incited by recent literature showing that overexpression of fl-PS1 leads to low

(approximately 100-180 kDa) molecular weight complexes (6,8,12) suggesting

possible in vivo homodimerization. We assayed numerous wt and mutant PS1

constructs for intramolecular interactions. Interaction between two PS1 holoproteins

is observed following a β-gal assay using the yeast strain Y187, which is very

sensitive for this assay (Fig 1A).

In order to verify if these two-hybrid interactions were specific, and not due to non-

specific β-gal reporter activation from Y187 strain, we tested other reporter genes by

co-transforming the constructs in the AH109 strain. This AH109 strain virtually

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eliminates false positives by using three reporters, Ade2, His3, and Mel1 (or lacZ),

under the control of distinct Gal4 responsive promotors. These promoters yield

strong and specific responses to Gal4. After plating the co-transformed AH109 strain

on selective medium lacking Ade, His, Trp and Leu (-AHTL), colony growth is

observed (Fig 1B), confirming all β-gal results obtained using the yeast strain Y187.

Taken together, these results suggested possible homo- (fl/fl) dimerization of human

PS1 in vivo. Western blot studies of yeast protein extracts confirmed both PS1

constructs expression and fl-PS1 dimerization in vivo (Fig 1C, lanes 3 and 4,

respectively). To confirm that the dimer observed using anti c-myc probe (Fig 1C,

lane 4) is not an artifact, we reprobed this extract with three diffrent anti-PS1

antibodies. As expected, the dimer is observed using specific antibodies directed

against both N-terminal (Ab14 and N-20) and C-terminal (C-20) regions of PS1 (Fig

1C, lanes 5-7). The apparent increase in molecular weight for both CTF and fl-PS1

reflects their fusion with the Gal-4 DNA binding domain and the c-myc tagged from

the pGBKT7 vector. This binding domain alone is observed in the extract from

empty vector transformed yeast (Fig 1C, lane 2). Interestingly, no endoproteolytic

processing of PS1 could be observed with fusion protein in Saccharomyces

Cerevisiae Y187 and AH109 (personal observation and Fig. 1C, lanes 4-7), implying

that homo-oligomerization was not due to intermolecular associations between

endoproteolyticaly cleaved PS1 fragments in yeast.

Effects of mutations on self-association capacities of PS1. AD-associated PS1 mutations were shown to increased the production of the beta-

amyloid fragments probably by increasing the γ-secretase complex activity. We then

tested the effect of different mutations on binding properties of PS1. We first

investigated if AD-associated PS1 mutants could affect self-association of fl-PS1.

Since AD-associated mutations are dominant (18), we investigated if mutant fl-PS1 is

able to associate with its wild-type counterpart. Our results show that AD-associated

PS1 Y115H, L392V and ∆E10 mutants, as well as the non AD-associated PS1

polymorphism E318G, could dimerize with fl-PS1-wt (Fig 2A). We also verified and

confirmed that these mutants could self-associate with each other (Fig 2B).

Interestingly, the ∆E10 deletion mutant was still able to homodimerize and to

heterodimerize with fl-PS1-wt. This observation suggests that the PS1

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endoproteolytic cleavage region, which is absent in the ∆E10, is not implicated in PS1

self-association. However, endoproteolytic cleavage of PS1 may play an important

role elsewhere as, for example, in complex stability (9,19,20). Finally, the non AD-

associated PS1 D257A mutant, inhibiting both PS1 endoproteolytic cleavage and γ-

secretase-associated activity (15), was also able to self-oligomerize (Fig 1A and 2B).

These results suggest that all mutants tested here may self-oligomerize in vivo, giving

rise to full-length homodimers. The mutants oligomerization capabilities appeared

similar to their wild-type counterparts.

Formation of PS1 dimers in cultured cells. Expression of fl-PS1 in cultured cells leads mainly to the production of monomeric

species of approximately 45-50 kDa with immuno-specific aggregation at higher

molecular ranges (> 250 kDa) when analysed under normal SDS-PAGE denaturing

and reducing conditions (Fig 3B, lane 2 and [2,21,22]). Since, little is known about

PS1 properties under non-denaturing and non-reducing conditions, we performed

analysis of PS1 dimerization under native electrophoresis conditions (i.e. native-

PAGE). First, we tested and confirmed the specificity of the anti-PS1, Ab14, against

endogenous PS1 in different cell lines (Fig 3A). As expected with polytopic

transmembrane proteins, electrophoresis of endogenous HEK293T protein extracts

under native conditions resulted in specific, high (>250 kDa) PS1 immunoreactive

aggregates when probed with the Ab14 antibody (Fig 3B, lane 4). Overexpression of

PS1 accentuated accumulation of aggregates (Fig 3B, lane 5). Milder extraction

detergents, such as CHAPS (0.5 %-1%) or Digitonin (0.5 %-1%), did not substantially

affect PS1 aggregation under native conditions (data not shown). We next tested if

different non-denaturing and non-reducing variables could “detach” potential PS1

dimers from these high molecular weight complexes. We observed that addition of

0.1% SDS in the electrophoresis running buffer is sufficient to partially denature PS1

electrophoretic aggregates (Fig 3B, lanes 7 and 8). Previous work has shown that

certain LMW PS1-immunoreactive aggregates are SDS resistant (3), implying

possible PS1 homo-oligomers. Moreover, other authors have shown that low amounts

of SDS do not interfere with certain protein’s homodimerization abilities (24,25),

including GPCRs -which are structurally similar to presenilins-. Of particular

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37

importance, addition of reducing agents, such as β-mercaptoethanol or DTT (data not

shown), did not significantly interfere with PS1 dimerization as observed by Western

blotting (Fig 3B, lanes 7 and 8), thus suggesting that homo-oligomerization is not

thiol-dependent. Further experiments are underway in our laboratory to address this

issue.

We next tested if PS1-wt-5’myc could homodimerize. Results show that a major

band of approximately 53 kDa corresponding to the expected PS1-wt-5’myc

monomer was detected (Fig 3C, lane 3). In addition, a higher molecular weight band

of approximately 108 kDa was observed. As suspected, this ~ 108 kDa band

corresponded in size to a putative PS1-wt-5’myc dimer. The non-tagged PS1

monomer or dimer migrates slightly lower than its 5’myc-tagged version, hence

demonstrating the immunoreactive specificity of this high molecular weight species

(Fig 3C, lanes 2 and 3, respectively). To rule out the possibility that the ~ 108 kDa

band represented HEK293T cell-specific artifacts, N2A cells over-expressing PS1-wt-

5’myc were subjected to the same treatment. Both the polyclonal anti-PS1 antibody,

Ab14, and the anti-c-myc antibody detected a similar set of PS1 immunoreactive

species (Fig 3D, lanes 2 and 4, respectively). Taken together, these observations

suggests the existence of non-disulfide-linked full-length PS1 dimers or oligomers (in

the case of the > 250 kDa immunoreactive species) that preexist at least in HEK293T

and neuronal type, N2A, cells.

The PS1 Y115H, ∆E10 and D257A mutants dimerize in cultured cells. Using SDS-PAGE under non-reducing and “revisited” non-denaturing conditions, we

investigated the dimerization of different presenilin mutants in N2A cells. The N2A

cells were transfected with different PS1 mutants construct and the analysis showed

that PS1-Y115H, ∆E10 and D257A mutants as well as PS1-wt formed putative dimers

corresponding, in size, to twice their full-length moieties (Fig 4A). In order to

investigate the PS1 immunospecific constituents of this dimer, the band migrating at

approximately 105 kDa was excised from the gel after a first electrophoretic run and

subjected to a second electrophoretic run under reducing and denaturing conditions.

This second run revealed the full-lenght monomer PS1 implying that the original ~

105 kDa band contains full-length presenilins (Fig 4B). Similar results were observed

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38

in HEK293T cells (data not shown). Our results demonstrate that PS1 mutants can

form homodimers in vivo.

Evidence for endogenous PS1 self-association. It has previously been shown that, as a consequence of overexpression, the high

molecular weight PS1 complexes are highly unstable and could either be

ubiquitinated then degraded (9,13,25) and/or mature to form aggresomes (5).

Therefore, it cannot be excluded that the dimerization of full-length PS1 is a trigger to

aggregation and breakdown rather than a step prior to complex maturation. Hence, in

order to evaluate if these oligomers are functional derivatives of PS1 or simply

artifacts caused by overexpression, we next tested if endogenous PS1 could

homodimerize. A commercially available anti-PS1 antibody, N-19, directed against

the N-terminal portion of the protein, recognizes specifically full-length PS1 in

endogenous HEK293T cells following western blotting (Fig 4C, lane 1). This

distinctive immunoreactivity for full-length PS1 has been reported elsewhere with

other non-commercial antibodies (26-28). Interestingly, when endogenous HEK293T

non-denaturing and non-reducing protein extracts (i.e. no addition of reducing agents

and no boiling) are subjected to typical SDS-PAGE, an immunoreactive band

corresponding to the putative PS1 dimer is also observed with the N-19 antibody (Fig

4C, lane 2). Similar results were observed with the C-20 antibody and confirmed in

P19 (embryonal carcinoma) cells (data not shown). Taken together, these results are

consistent in showing that endogenous PS1 oligomerizes in vivo to form specific

homodimers.

The oligomerization properties of presenilins observed in vivo (22,29-31) and in vitro

(29) have not been clearly understood. In this report, we clearly show PS1

homodimerization. Our results are consistent at demonstrating that presenilins can

form low molecular weight complexes in vivo. Similar results were observed by

Cervantes S. et al. (2001) using the Drosophilia PS1 when expressed in yeast (32).

We confirmed in vivo PS1 dimerization in HEK293T and N2A cultured cells

overexpressing PS1-wt or mutants. Most importantly, we demonstrated endogenous

PS1 dimerization under non-reducing and non-denaturing conditions in human

cultured cells (HEK293T).

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39

The functional role of PS1 dimerization is not clear. However, observations of the

PS1 maturation process may give some clues on this role. It is known that PS1

physiological maturation leads to an endoproteolytic cleavage by a an unknown

‘presenilinase’ resulting in PS1-NTF and CTF that are the major constituents found in

vivo. The mechanisms of this maturation leading to the PS1 complexes are actually

unknown. Different studies have proposed a model in which PS1 molecules are first

stabilized then subsequently cleaved to generate the NTF and CTF (19,33). Based on

this model, it is tempting to speculate that PS1 dimerization may well be a limiting

and/or necessary step in PS1 complex maturation.

We have demonstrated that AD-associated and γ-secretase dominant negative PS1

mutations failed to inhibit self-association of PS1. These observations are in

accordance with in vivo studies suggesting that PS1 mutations lead to a gain of

function (34,35), and not to an abrogated protein function, as seen in PS1 and/or PS2

knock-out mice (36,37). Indeed, our results demonstrate that PS1 mutations do not

prevent complex oligomerization, thus presumably conserving its integrity and basic

function(s). However, AD-associated mutations may lead to distinct and/or perturbed

high molecular weight complexes, hence having new properties. Further studies will

be needed to evaluate this possibility.

All together, our results clearly demonstrate that presenilin 1 may undergo self-

dimerization in vivo. Because fl-PS1 as well as NTF and CTF represent important

AD therapeutic targets (38), their physiological existence as homo- or hetero-

oligomers could have important implications for the development and screening of

new drugs.

ACKNOWLEDGMENTS

We thank Dr Paul Fraser for generously providing the Ab14 antibody, Dr Paul

Mathews for the PS1 K/O cells and Dr Richard Blouin for the N2A cells. This work

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40

was supported by grants from Canadian Institutes of Health Research (IRSC) and

Fonds de la Recherche en Santé du Québec (FRSQ).

REFERENCES

1. Levesque, G., Yu, G., Nishimura, M., Zhang, D.M., Levesque, L., Yu, H., Xu,

D., Liang, Y., Rogaeva, E., Ikeda, M., Duthie, M., Murgolo, N., Wang, L.,

VanderVere, P., Bayne, M.L., Strader, C.D., Rommens, J.M., Fraser, P.E. and

St George-Hyslop, P., Presenilins interact with armadillo proteins including

neural-specific plakophilin-related protein and beta-catenin, J Neurochem, 72

(1999) 999-1008.

2. Sherrington, R., Rogaev, E.I., Liang, Y., Rogaeva, E.A., Levesque, G., Ikeda,

M., Chi, H., Lin, C., Li, G., Holman, K. and et al., Cloning of a gene bearing

missense mutations in early-onset familial Alzheimer's disease, Nature, 375

(1995) 754-60.

3. De Strooper, B., Beullens, M., Contreras, B., Levesque, L., Craessaerts, K.,

Cordell, B., Moechars, D., Bollen, M., Fraser, P., George-Hyslop, P.S. and

Van Leuven, F., Phosphorylation, subcellular localization, and membrane

orientation of the Alzheimer's disease-associated presenilins, J Biol Chem, 272

(1997) 3590-8.

4. Czech, C., Tremp, G. and Pradier, L., Presenilins and Alzheimer's disease:

biological functions and pathogenic mechanisms, Prog Neurobiol, 60 (2000)

363-84.

5. Johnston, J.A., Ward, C.L. and Kopito, R.R., Aggresomes: a cellular response

to misfolded proteins, J Cell Biol, 143 (1998) 1883-98.

6. Capell, A., Grunberg, J., Pesold, B., Diehlmann, A., Citron, M., Nixon, R.,

Beyreuther, K., Selkoe, D.J. and Haass, C., The proteolytic fragments of the

Alzheimer's disease-associated presenilin-1 form heterodimers and occur as a

100-150-kDa molecular mass complex, J Biol Chem, 273 (1998) 3205-11.

7. Seeger, M., Nordstedt, C., Petanceska, S., Kovacs, D.M., Gouras, G.K.,

Hahne, S., Fraser, P., Levesque, L., Czernik, A.J., George-Hyslop, P.S.,

Sisodia, S.S., Thinakaran, G., Tanzi, R.E., Greengard, P. and Gandy, S.,

Page 54: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

41

Evidence for phosphorylation and oligomeric assembly of presenilin 1, Proc

Natl Acad Sci U S A, 94 (1997) 5090-4.

8. Yu, G., Chen, F., Levesque, G., Nishimura, M., Zhang, D.M., Levesque, L.,

Rogaeva, E., Xu, D., Liang, Y., Duthie, M., St George-Hyslop, P.H. and

Fraser, P.E., The presenilin 1 protein is a component of a high molecular

weight intracellular complex that contains beta-catenin, J Biol Chem, 273

(1998) 16470-5.

9. Steiner, H., Capell, A., Pesold, B., Citron, M., Kloetzel, P.M., Selkoe, D.J.,

Romig, H., Mendla, K. and Haass, C., Expression of Alzheimer's disease-

associated presenilin-1 is controlled by proteolytic degradation and complex

formation, J Biol Chem, 273 (1998) 32322-31.

10. Yu, G., Nishimura, M., Arawaka, S., Levitan, D., Zhang, L., Tandon, A.,

Song, Y.Q., Rogaeva, E., Chen, F., Kawarai, T., Supala, A., Levesque, L., Yu,

H., Yang, D.S., Holmes, E., Milman, P., Liang, Y., Zhang, D.M., Xu, D.H.,

Sato, C., Rogaev, E., Smith, M., Janus, C., Zhang, Y., Aebersold, R., Farrer,

L.S., Sorbi, S., Bruni, A., Fraser, P. and St George-Hyslop, P., Nicastrin

modulates presenilin-mediated notch/glp-1 signal transduction and betaAPP

processing, Nature, 407 (2000) 48-54.

11. Li, Y.M., Lai, M.T., Xu, M., Huang, Q., DiMuzio-Mower, J., Sardana, M.K.,

Shi, X.P., Yin, K.C., Shafer, J.A. and Gardell, S.J., Presenilin 1 is linked with

gamma-secretase activity in the detergent solubilized state, Proc Natl Acad Sci

U S A, 97 (2000) 6138-43.

12. Yu, G., Chen, F., Nishimura, M., Steiner, H., Tandon, A., Kawarai, T.,

Arawaka, S., Supala, A., Song, Y.Q., Rogaeva, E., Holmes, E., Zhang, D.M.,

Milman, P., Fraser, P.E., Haass, C. and George-Hyslop, P.S., Mutation of

conserved aspartates affects maturation of both aspartate mutant and

endogenous presenilin 1 and presenilin 2 complexes, J Biol Chem, 275 (2000)

27348-53.

13. Thinakaran, G., Harris, C.L., Ratovitski, T., Davenport, F., Slunt, H.H., Price,

D.L., Borchelt, D.R. and Sisodia, S.S., Evidence that levels of presenilins (PS1

and PS2) are coordinately regulated by competition for limiting cellular

factors, J Biol Chem, 272 (1997) 28415-22.

Page 55: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

42

14. Van Gassen, G., Annaert, W. and Van Broeckhoven, C., Binding partners of

Alzheimer's disease proteins: are they physiologically relevant?, Neurobiol

Dis, 7 (2000) 135-51.

15. Kimberly, W.T., Xia, W., Rahmati, T., Wolfe, M.S. and Selkoe, D.J., The

transmembrane aspartates in presenilin 1 and 2 are obligatory for gamma-

secretase activity and amyloid beta-protein generation, J Biol Chem, 275

(2000) 3173-8.

16. Aldudo, J., Bullido, M.J., Frank, A. and Valdivieso, F., Missense mutation

E318G of the presenilin-1 gene appears to be a nonpathogenic polymorphism,

Ann Neurol, 44 (1998) 985-6.

17. Vidal, R., Ghiso, J., Wisniewski, T. and Frangione, B., Alzheimer's presenilin

1 gene expression in platelets and megakaryocytes. Identification of a novel

splice variant, FEBS Lett, 393 (1996) 19-23.

18. Cruts, M., Hendriks, L. and Van Broeckhoven, C., The presenilin genes: a new

gene family involved in Alzheimer disease pathology, Hum Mol Genet, 5

(1996) 1449-55.

19. Ratovitski, T., Slunt, H.H., Thinakaran, G., Price, D.L., Sisodia, S.S. and

Borchelt, D.R., Endoproteolytic processing and stabilization of wild-type and

mutant presenilin, J Biol Chem, 272 (1997) 24536-41.

20. Steiner, H., Romig, H., Grim, M.G., Philipp, U., Pesold, B., Citron, M.,

Baumeister, R. and Haass, C., The biological and pathological function of the

presenilin-1 Deltaexon 9 mutation is independent of its defect to undergo

proteolytic processing, J Biol Chem, 274 (1999) 7615-8.

21. Okochi, M., Sahara, N., Kametani, F., Usami, M., Arai, T., Tanaka, K., Ishii,

K., Yamamoto, A. and Mori, H., Presenilin 1 cleavage is a universal event in

human organs, Neurobiol Aging, 19 (1998) S3-10.

22. Steiner, H., Romig, H., Pesold, B., Philipp, U., Baader, M., Citron, M.,

Loetscher, H., Jacobsen, H. and Haass, C., Amyloidogenic function of the

Alzheimer's disease-associated presenilin 1 in the absence of endoproteolysis,

Biochemistry, 38 (1999) 14600-5.

23. Overton, M.C. and K.J. Blumer, G-protein-coupled receptors function as

oligomers in vivo. Curr. Biol. 10 (2000) 341-4.

Page 56: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

43

24. Hébert, T.E., Moffet, S., Morello, J.-P., Loisel, T.P., Bichet, B.G., Barret, C.,

Bouvier, M., A Peptide Derived from a β2-Adrenergic Receptor

Transmembrane Domain Inhibits Both Receptor Dimerization and Activation,

J Biol Chem 271 (1996) 16384-16392.

25. Honda, T., Yasutake, K., Nihonmatsu, N., Mercken, M., Takahashi, H.,

Murayama, O., Murayama, M., Sato, K., Omori, A., Tsubuki, S., Saido, T.C.

and Takashima, A., Dual roles of proteasome in the metabolism of presenilin

1, J Neurochem, 72 (1999) 255-61.

26. Dewji, N.N. and Singer, S.J., Cell surface expression of the Alzheimer

disease-related presenilin proteins, Proc Natl Acad Sci U S A, 94 (1997) 9926-

31.

27. Benussi, L., Alberici, A., Mayhaus, M., Langer, U., Ghidoni, R., Mazzoli, F.,

Nicosia, F., Barbiero, L., Frisoni, G., Zanetti, O., Gasparini, L., Nitsch, R.M.

and Binetti, G., Detection of the presenilin 1 COOH-terminal fragment in the

extracellular compartment: a release enhanced by apoptosis, Exp Cell Res, 269

(2001) 256-65.

28. Weber, L.L., Leissring, M.A., Yang, A.J., Glabe, C.G., Cribbs, D.H. and

LaFerla, F.M., Presenilin-1 immunoreactivity is localized intracellularly in

Alzheimer's disease brain, but not detected in amyloid plaques, Exp Neurol,

143 (1997) 37-44.

29. Yamamoto, A., Sahara, N., Usami, M., Okochi, M., Kondo, T., Kametani, F.,

Tanaka, K., Yahagi, Y., Shirasawa, T., Itoyama, Y. and Mori, H., Abnormal

gel-electrophoretic behavior of presenilin 1 and it's fragment, Biochem

Biophys Res Commun, 226 (1996) 536-41.

30. Sahara, N., Yahagi, Y., Takagi, H., Kondo, T., Okochi, M., Usami, M.,

Shirasawa, T. and Mori, H., Identification and characterization of presenilin I-

467, I-463 and I- 374, FEBS Lett, 381 (1996) 7-11.

31. Ingano, L.A., Lentini, K.M., Kovacs, I., Tanzi, R.E. and Kovacs, D.M.,

Cytoplasmic presenilin aggregates in proteasome inhibitor-treated cells, Ann

N Y Acad Sci, 920 (2000) 259-60.

Page 57: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

44

32. Cervantes, S., Gonzalez-Duarte, R. and Marfany, G., Homodimerization of

presenilin N-terminal fragments is affected by mutations linked to Alzheimer's

disease, FEBS Lett, 505 (2001) 81-6.

33. Saura, C.A., Tomita, T., Davenport, F., Harris, C.L., Iwatsubo, T. and

Thinakaran, G., Evidence that intramolecular associations between presenilin

domains are obligatory for endoproteolytic processing, J Biol Chem, 274

(1999) 13818-23.

34. Duff, K., Eckman, C., Zehr, C., Yu, X., Prada, C.M., Perez-tur, J., Hutton, M.,

Buee, L., Harigaya, Y., Yager, D., Morgan, D., Gordon, M.N., Holcomb, L.,

Refolo, L., Zenk, B., Hardy, J. and Younkin, S., Increased amyloid-beta42(43)

in brains of mice expressing mutant presenilin 1, Nature, 383 (1996) 710-3.

35. Davis, J.A., Naruse, S., Chen, H., Eckman, C., Younkin, S., Price, D.L.,

Borchelt, D.R., Sisodia, S.S. and Wong, P.C., An Alzheimer's disease-linked

PS1 variant rescues the developmental abnormalities of PS1-deficient

embryos, Neuron, 20 (1998) 603-9.

36. Shen, J., Bronson, R.T., Chen, D.F., Xia, W., Selkoe, D.J. and Tonegawa, S.,

Skeletal and CNS defects in Presenilin-1-deficient mice, Cell, 89 (1997) 629-

39.

37. Donoviel, D.B., Hadjantonakis, A.K., Ikeda, M., Zheng, H., Hyslop, P.S. and

Bernstein, A., Mice lacking both presenilin genes exhibit early embryonic

patterning defects, Genes Dev, 13 (1999) 2801-10.

38. Golde, T.E. and Younkin, S.G., Presenilins as therapeutic targets for the

treatment of Alzheimer's disease, Trends Mol Med, 7 (2001) 264-9.

Page 58: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

45

FIGURE LEGENDS

Figure 1. Two-hybrid assay demonstrating PS1 self-association. (A) Y187 yeast co-transformed colonies were assayed for colony lifts β-galactosidase

activity according to Clontech procedures. Positive interactions were measured by the

blue coloration intensity (++++ represented the highest level and (-) represented

absence of coloration). Positive controls include pGBKT7-p53/pGADT7-T antigen

and pGBKT7-PS1Loop 6-7 loop/pGAD-hNPRAP. (B) AH109 yeast co-transformed

colonies were assayed for His+ and Ade+ activity according to Clontech procedures.

Colony growing on SD/-AHTL indicates positive interactions between two partners.

Growth rate is indicated by positive (+) signs, where +++ represent the fastest (i.e.

early growth observed between 2-4 days). Negative (-) sign indicate absence of

colony growth after 10 days of incubation. Negative controls include pGBKT7-fl-

PS1/pGAD-Lamin and pGBKT7-Lamin/pGAD-fl-PS1. Results shown represent at

least 3 independent experiences. (C) Western blot of yeast protein extract

demonstrating fl-PS1 expression and dimerization in yeast strain AH109. Lane 1

represents an extract from a non-transformed AH109 strain. In lane 2, the AH109

strain was transformed with pGBKT7 empty vector to demonstrate the presence of the

c-myc tagged Gal-4 binding domain expression. Both pGBKT7-PS1-CTF and

pGBKT7-fl-PS1 constructs were transformed in AH109 strain and tested for

expression using anti-c-myc probe (lanes 3 and 4, respectively). To confirm the

specificity of pGBKT7-fl-PS1 expression and dimerization, the same protein extract

used in lane 4 was probed using either anti-PS1 antibody Ab14 (lane 5), N-19 (lane 6)

or C-20 (lane 7).

Figure 2. Dimerization of mutant presenilins in yeast. (A) AH109 strain co-transformed with PS1-wt or mutant constructs were assayed for

His+ and Ade+ activity according to Clontech procedures. Colony growth is observed

with all mutants tested herein. Results shown represent at least 3 independent

experiences.

Figure 3. Dimerization of PS1 in cultured cells. (A) Western blot demonstrating anti-PS1 Ab14 antibody specificity in different cell

types. Equal amounts of proteins extracted from native HEK293T, N2A or PS1 K/O

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cells were mixed with reducing SDS-PAGE sample buffer, boiled for 2 min, then

fractionated on SDS-PAGE and transferred to PVDF membrane. The membrane was

probed using Ab14 antibody. (B) Western blot following SDS-PAGE of proteins

extracted from non-transfected (lane 1) and PS1-wt transfected (lane 2) HEK293T

cells. Cells were mixed with SDS-PAGE reducing sample buffer and fractionated on

SDS-PAGE. Lanes 3 to 5 represent a western blot following native gel

electrophoresis conditions. Proteins were extracted from both non-transfected PS1

K/O (lane 3) and HEK293T cells (lane 4), and from fl-PS1-wt transfected HEK293T

cells (lane 5). In this case, the cells were lysed in extraction buffer B, mixed with

native sample buffer, incubated at 37°C for 15 min and then subjected to native-

PAGE. Lanes 6 to 8 represent a western blot of protein extracts from both non-

transfected HEK293T cells (lane 6) and from fl-PS1-wt transfected HEK293T cells

(lanes 7 and 8). As above, the cells were lysed using buffer B, mixed with reducing

or non-reducing native sample buffer and incubated at room temperature for 15 min.

Following incubation, SDS-PAGE was carried out using SDS-PAGE running buffer

(containing 0.1 % SDS). The effect of a reducing agent, β-mercaptoethanol, on PS1

dimerization was evaluated (lane 7 vs. 8). (C) Analysis of proteins extracted from

either, empty vector (lane 1), fl-PS1-wt (lane 2) and fl-PS1-5’myc (lane 3) transfected

HEK293T cells and submitted to partial non-denaturing SDS-PAGE. (D) Equal

amounts of proteins extracted from both empty vector (lanes 1 and 3) and fl-PS1-

5’myc (lanes 2 and 4) transfected N2A cells were mixed with native sample buffer

(without reducing agents), incubated at 37°C for 15 min, then fractionated on SDS-

PAGE. Blots were probed with either Ab14 antibody (lanes 1 and 2) or c-myc

antibody (lanes 3 and 4). Sign (#) represents non-specific immunoreactive bands due

to reducing agents. Sign (*) represents non-specific immunoreactive bands due to

native electrophoretic conditions.

Figure 4. Overexpression of wild-type or mutant PS1 as well as endogenous PS1

show dimerization in cultured cells.

(A) Equal amounts of proteins extracted from fl-PS1-wt or mutants transfected N2A

cells were submitted to partial non-denaturing (and non-reducing) SDS-PAGE and

transferred to PVDF membranes. Blot was probed with the Ab14 antibody. (B)

Analysis of the PS1 dimer fragment. The ~ 105 kDa bands were excised from a first

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electrophoretic run as in (A), resuspended in lysis buffer A and incubated at 37°C for

1h. Following incubation, SDS-PAGE sample buffer was added to the lysates.

Lysates were boiled for 2 min and 20 µl of the suspension were subjected to SDS-

PAGE and transferred to PVDF membranes. To confirm the presence of PS1, blots

were analysed with PSN2 monoclonal antibody. (C) Endogenous PS1 dimerization in

cultured cells. Equal amounts of proteins extracted from HEK293T cells were mixed

with SDS-PAGE sample buffer (without reducing agents), boiled for 2 min (lanes 1)

or incubated at 37°C for 15 min (lanes 2), then fractionated on SDS-PAGE and

transfered to PVDF membranes. Blots were probed with the N-19 antibody.

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CHAPITRE IV

Oligomérisation des fragments de la préséniline-1 humaine

Note : Ce chapitre, présenté sous la forme d’un manuscrit publié dans la revue FEBS Letters (FEBS Lett. 2003 Aug 28;550(1-3):30-4.), résume une partie des travaux effectués dans le cadre de mon projet de doctorat. Plus spécifiquement, ce travail contient des expériences visant à compléter mon premier objectif de travail (décrit dans le chapitre 2 à la page 23). Comme ma contribution dans la conception (approches expérimentales), la réalisation (constructions plasmidiques et manipulations) et la rédaction (incluant le montage des figures) de ce travail est majoritaire, mon nom apparaît comme premier auteur sur le manuscrit. Toutefois, il est important de souligner l’apport très apprécié de ma consoeur de laboratoire, Mme Chantal Godin, dans la réalisation technique de ce travail. En résumé, Mme Godin a cloné le fragment PS1 CTF dans le vecteur d’expression pGEX-4T1 utilisés dans cet ouvrage. Cet article est disponible sur Internet en version originale anglaise à l’adresse électronique suivante : http://dx.doi.org/10.1016/S0014-5793(03)00813-5

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Résumé

Dans le but d’acquérir de nouvelles connaissances sur les propriétés structurales et

fonctionnelles de la préséniline-1 (PS1), nous avons étudié les propriétés

oligomérisantes de ces fragments N- et C-terminaux (respectivement, NTF et CTF).

Par technique de double hybride, confirmée avec la technique d’immunoprécipitation

de type « GST pull-down », nous démontrons pour la première fois que les fragments

PS1 peuvent s’associés directement ou entre eux pour former des homodimères

(NTF/NTF ou CTF/CTF). Les mutations associées à une forme familiale de la

maladie d’Alzheimer PS1 Y115H et M146L n’affectent pas les propriétés homo- (ni

hetero-) oligomérisantes des fragments PS1. Ces observations suggèrent que les

mutations associées à la forme familiale de la maladie d’Alzheimer n’altèrent pas (ou

peu) leur(s) fonction(s) physiologique(s) de base. L’ensemble de ces résultats

confirme qu’il existe des liens intramoléculaires complexes qui régulent

l’oligomérisation de la PS1 et possiblement l’activité γ-secrétase.

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Oligomerization of human presenilin-1 fragments.

Sébastien S. Hébert1, Chantal Godin1 and Georges Lévesque1, 2

1Molecular and Human Genetics Unit, CHUQ-Pavillon St-François d'Assise, 10 rue

de l'Espinay, Québec, Canada G1L 3L5, 2 Medical Biology Department, Laval

University, Quebec, Canada, G1K 7P4 .

ABSTRACT

To gain insight into presenilin-1 (PS1) structural aspects, we explored the structure-

function relationship of its N- and C-terminal (NTF and CTF, respectively)

complexes. We demonstrated that both NTF and CTF act as independent but inter-

changing binding units capable of binding each other (NTF/CTF) or their homologues

(NTF/NTF; CTF/CTF). The Alzheimer’s disease-associated PS1 mutations Y115H

and M146L do not affect their ability to hetero- and/or homodimerize, thus

conserving their basic integrity and function(s). These results suggest that PS1

associates intra-molecularly to form higher order complexes, which may be needed

for endoproteolytic cleavage and/or γ-secretase-associated activity.

Keywords: presenilin, gamma-secretase, homodimerization, heterodimerization

Corresponding author: Dr. Georges Lévesque, Phone: 418-525-4444 ext 3752, Fax:

418-525-4195, Email: [email protected]

Abbreviations: PS1, presenilin-1; NTF, N-terminal fragment; CTF, C-terminal

fragment; FL, full-length; β-gal, β-galactosidase; His, histidine; Ade, adenine; Trp,

tryptophan; Leu, leucine; TM, transmembrane; wt, wild-type.

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INTRODUCTION

Mutations in the presenilin-1 (PS1) gene account for most cases of early onset

familial Alzheimer’s disease. In vivo, the PS1 protein is approximately 45-50 kDa in

size and undergoes a proteolytic cleavage by ‘presenilinase’ to generate N- and C-

terminal fragments (NTF and CTF, respectively) of approximately 32-35 and 16-20

kDa, respectively (Thinakaran 2001). PS1 forms also low (~ 100-180 kDa) and high

(> 250 kDa) molecular weight complexes containing both full-length and

heterodimeric PS1 NTF and CTF fragments (Capell, Grunberg et al. 1998; Steiner,

Capell et al. 1998; Yu, Chen et al. 1998; Hébert, Godin et al. 2003). Recent work

indicates that the higher molecular weight complexes contain, among PS1 fragments,

at least three other proteins, namely Nicastrin, Aph-1, and Pen-2 (Kimberly, LaVoie

et al. 2003; Van Gassen and Annaert 2003). Accumulating evidences tend to

demonstrate that the appearance of presenilin fragments in these complexes is

intrinsic to PS1 and γ-secretase activity, is involved in the cleavage of integral

membrane proteins such as amyloid-β precursor protein (AβPP), Notch1, ErbB4.

Using the yeast two-hybrid assay and GST pull down experiments we provide

evidence that human PS1 NTF and CTF moieties can associate directly to form

specific heterodimers and that AD-associated PS1 mutations Y115H and M146L do

not affect their ability to hetero-oligomerize. Using deletion mutants coding for

truncated PS1, we demonstrate that multiple binding regions are implicated in PS1

heterodimerization and that both cytoplasmic and transmembrane regions are

necessary. We also show that PS1 may self-oligomerize giving rise to NTF/NTF and

CTF/CTF homodimers. Although inter-molecular heterodimers have previously been

reported following in situ chemical cross-linking and co-immunoprecipitation

(Thinakaran, Regard et al. 1998; Yu, Chen et al. 1998) – which are indirect methods –

, our data are the first to confirm a direct interaction between human NTFs and CTFs

and identify potential regions of contact under in vivo conditions.

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Experimental procedures

Yeast two-hybrid assays. cDNA sequences encoding various parts of human PS1 were amplified by PCR using

the Herculase Taq polymerase (Stratagene). The following wt PS1 cDNA were

prepared: NTF (PS11-291), 1-132 (PS11-132), TM1-2 (PS1101-153), Loop 1-2 (PS1101-132),

TM2 (PS1131-153), Loop 6-7 (PS1239-409), CTF (PS1292-467), TM8 (PS1406-426), CTF-

short (PS1427-467). AD-associated PS1 short version mutants, 1-132 Y115H and TM1-

2 M146L were also generated. cDNAs were cloned both into pGBKT7 and pGADT7

vectors (Clontech) as a fusion to the Gal4-DNA binding domain (BD) and Gal4-DNA

activating domain (AD), respectively. Each construct was sequenced and shown to be

free of autonomous Gal-4 activation. Functional expression of fusion proteins in

yeast was confirmed by Western blot.

Each of the pGBKT7-construct was co-transformed into Y187 or AH109

Saccharomyces cerevisiae (Clontech) together with each pGADT7-construct.

Transformants were selected on yeast drop-out media (Clontech) that lacked both

tryptophan and leucine (TL-) and assayed for β-gal+ in the case of Y187 and His+ and

Ade+ activity in the case of AH109. Positive controls included pGBKT7-

p53/pGADT7-T antigen and pGBKT7-PS1-Loop 6-7/pGADT7-hNPRAP as

previously described (Levesque, Yu et al. 1999).

Preparation of yeast cell lysates and immunoblotting. Transformed yeasts were harvested by centrifugation and washed twice in sterile H2O.

Pellets were resuspended in ~ 300 µl of yeast extraction buffer [Tris 50 mM pH 7.5,

150 mM NaCl, 1% CHAPS, 1 mM EDTA, 1 mM PMSF and mini-complete protease

inhibitors (Roche-Diagnostic)]. Proteins were extracted using acid washed glass

beads (Sigma) as described by the manufacturer (Clontech) and loaded on a 4-20%

NuPAGE gel (Invitrogen) as described above. Blots were probed with either the anti-

c-myc (Roche Diagnostics) or anti-PS1 PSN2 (gift from Dr. Hiroshi Mori) antibodies.

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GST pull-down assays. PS1-CTF (PS1292-467) cDNA was cloned into the pGEX-4T1 vector and fixed on

glutathione-Sepharose beads as previously described (Hébert, Godin et al. 2003).

Proteins were eluted from the beads, mixed with 2X sample buffer and ~20 µl was

loaded on gel for SDS-PAGE. Blots were probed with anti-c-myc antibodies (Roche

Diagnostics).

RESULTS

Direct association between PS1 N-terminal and C-terminal fragments. Partial PS1 cDNA constructs were produced in order to represent putative functional

domains and sites of multiple protein interactions. Western blot analysis confirmed

correct protein expression for all constructs (Figure 1B). Although certain PS1

constructs tested herein contain hydrophobic transmembrane domains, its fusion to

the Gal-4 binding and/or activating domain in the pGBKT7/pGADT7 vectors reveals

over-all protein solubility (Figure 1A and (Hébert, Godin et al. 2003)). These

constructs were shown to be functional in yeast two-hybrid assays (Levesque, Yu et

al. 1999; Godin et al. 2003; Hébert, Godin et al. 2003). First, we investigated if our

NTF (a.a. 1-291) of human PS1 could form a heterodimer with its remaining CTF

(a.a. 292-467). Specific interaction between NTF (expressed in human HEK293T

cells) and CTF is observed following GST pull-down using GST-tagged CTF (Figure

2A). This result corroborates with previous reports demonstrating NTF/CTF

heterodimerization (Thinakaran, Regard et al. 1998; Yu, Chen et al. 1998). After this

initial result, we tested if NTF/CTF heterodimerization could be reproduced in vivo in

yeast, a system lacking both endogenous PS1 and γ-secretase activity (Edbauer,

Winkler et al. 2003; Hébert, Bourdages et al. 2003). As shown in Figure 2B,

interaction between the NTF and CTF is observed following a β-gal assay using the

yeast strain Y187.

To further verify if these two-hybrid interactions were specific, and not due to non-

specific LacZ reporter activation from strain Y187, we cotransformed all constructs in

the AH109 yeast strain (Clontech). As shown in Figure 2C, colony growth on

selective medium lacking Ade, His, Trp and Leu (AHTL-) is observed, confirming all

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β-gal assays. Negative and positive control experiments were done using empty

vectors (either pGBKT7 or pGADT7) and hNPRAP, a known CTF PS1-interacting

protein (Levesque, Yu et al. 1999). Taken together, these results confirm that PS1 N-

terminal and C-terminal fragments associate directly to form a stable complex in vivo.

Mapping of PS1-interacting domains Using various PS1 cDNA deletion constructs (as shown in Fig. 1A), we tested which

domain(s) was implicated in PS1 NTF/CTF heterodimerization. As summarized in

table 1, both the 1-132 and the TM 1-2 fragments showed interaction with the PS1-

CTF. These observations suggested that PS1 amino acids 101-132, corresponding to

the first lumenal loop (Loop 1-2), are implicated in heterodimerization with the CTF.

However, studies using solely the PS1 Loop 1-2 as bait or as target did not result in

positive interactions. As suspected, TM 2 did bind CTF, but weakly. These

observations were confirm by GST pull-down assays showing that both TM1-2 and

TM2, but not Loop 1-2 alone or mock (pGBKT7), bind GST-PS1-CTF (Fig 3A). We

suspect that heterodimerization of PS1 fragments must implicate large intermolecular

binding domains thus possibly “taken as a whole”.

Further investigation revealed that 1-132, as contrary to the TM 1-2 fragment, can

bind to the cytoplasmic Loop 6-7 (Table 1). This suggests that the first hydrophilic N-

terminus stretch before TM 1 (a.a. 1-80) may interact with the large cytoplasmic loop,

as they are both oriented to the cytoplasm. Moreover, since both the TM1-2 and 1-

132 bind to CTF but not to CTF-short our results, altogether, suggest that PS1-

NTF/CTF heterodimerization is dependent of at least four distant binding regions: i)

the first 80 amino-acid portion of PS1-NTF ii) the second lumenal loop combined

with the second transmembrane domain (TM 1-2), iii) the large cytoplasmic loop

(Loop 6-7) and iv) a 61 amino-acids portion of PS1-CTF (a.a. 406-467).

Homodimerization between PS1 NTF and CTF fragments. We have previously reported PS1 full-length/full-length homodimerization in yeast as

well as in mammalian cells (Hébert, Godin et al. 2003). Interestingly, we also

observe NTF/NTF and CTF/CTF homodimerization (Table 1). We used GST pull-

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down assays to confirm specific fragment homodimerization using, as example, GST-

tagged PS1-CTF against expressed PS1-CTF (Fig 3B).

Crude domain mapping of NTF/NTF homodimerization led us to demonstrate that

both the 1-132 and the TM 2 region, but not Loop 1-2, could bind PS1-NTF (Table 1).

Mapping of CTF/CTF homodimerization shows that the last 61 amino-acid portion

(a.a. 406-467) of PS1-CTF, implicated in NTF/CTF heterodimerization, is required

for binding. Since TM8/TM8 (a.a. 406-426) do not bind to each other and CTF (a.a.

292-467) do not bind to CTF-short (a.a. 427-467) or Loop 6-7 (a.a. 239-409), this

suggest that the last 61 amino-acid portion of CTF is required as a whole for binding

(Table 1 and Figure 3B). Taken together, these results suggest that binding regions

implicated in NTF/CTF heterodimerization are equally important in PS1 fragments

homodimerization.

Effects of mutations on hetero and homo-dimerization capacities of PS1-NTF

and CTF fragments.

We next investigated if mutated PS1-NTF was able to heterodimerize with the wt

PS1-CTF. We constructed two PS1-NTFs containing either the Y115H or M146L

mutation (PS11-132-Y115H and PS1TM 1-2-M146L). When assayed for interaction

against the PS1-CTF, both mutants showed interaction (Table 1). Finally, we tested if

these NTF-mutants could homodimerize with its wild-type counterpart. Mutants’

oligomerization capabilities appeared similar to their wild-type counterparts (Table 1).

As expected, these PS1 AD-associated mutants do not disturb the dimerization

suggesting that PS1 fundamental physiological function is conserved.

DISCUSSION

The structure-function analysis of PS1 N- and C-terminal complexes are important if

we consider that both fragments share putative catalytic elements (within separate

transmembrane domains) needed for PS1 enzymatic-related activity(ies) (Wolfe

2001). In this report, we clearly show direct heterodimerization between NTF and

CTF fragments of PS1. Our results demonstrate that these two fragments can form

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heterodimers in vivo. We also demonstrated that NTF and CTF are capable of self-

association, thus forming homodimers.

Previous studies aimed at understanding PS1 structure and/or maturation have

proposed a model in which PS1 molecules are first stabilized then subsequently

cleaved to generate the NTF and CTF (Ratovitski, Slunt et al. 1997; Saura, Tomita et

al. 1999). Our results support this model and are also in accordance with the

hypothetical “tetramer” model proposed by Haass and Steiner (Haass and Steiner

2002). Hence, we propose a new model (Figure 4) in which PS1 homodimerization

precedes endoproteolytic cleavage by “presenilinase”. Following endoproteolytic

cleavage, formation of a tetramer would be a crucial step for the assembly, stability

and/or substrate specificity of the high molecular weight presenilin complex necessary

for γ-secretase activity (Haass and Steiner 2002). According to our data, AD-

associated PS1-NTF Y115H and M146L mutants failed to demonstrate a disrupted

interaction with the PS1-CTF. This observation is in accordance with in vivo studies

suggesting that PS1 mutations lead to a gain of function (Davis, Naruse et al. 1998)

and not to an abrogated protein function, as seen in PS1 knock-out mice (Shen,

Bronson et al. 1997).

Nicastrin, Aph-1 and Pen-2 (presenilin partners in the γ-secretase complex), the long

sought “limiting factors” responsible for stabilization of PS1 endogenous levels, do

not seem to be required for PS1 hetero- and homo-dimerization, since no homologues

are found in yeast (Edbauer, Winkler et al. 2003). However, these proteins may be

required to saturate, stabilize, generate and/or limit endogenous levels of mature PS1

in high molecular weight complexes (Edbauer, Winkler et al. 2003; Takasugi, Tomita

et al. 2003).

In an attempt to map domains implicated in NTF/CTF oligomerization we have

demonstrated that both NTF and CTF act as independent but inter-changing binding

units capable of binding each other (NTF/CTF) or their homologues (NTF/NTF;

CTF/CTF). We propose that each PS1 fragment acts as pseudo-independent structural

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units, namely domain A for the NTF and domain B for the CTF. Other polytopic

transmembrane proteins, such as G-protein coupled receptors (GPCR), which are

structurally similar to presenilins, do possess two distinct binding domains

(Schoneberg, Schultz et al. 1999; Gouldson, Higgs et al. 2000). À priori, hetero-

oligomerization of PS1 domain A seems dependent of its first 80 amino-acids plus its

first lumenal loop associated with TM 2. However, our results demonstrate that most,

if not all, of the domain A is necessary, perhaps at different levels, for its

intramolecular and possibly intermolecular protein-protein binding properties. Recent

findings showing that the first 1-132 portion of the NTF, and most importantly but not

exclusively, the first transmembrane domain are needed to bind APP and/or

telencephanin (Annaert, Esselens et al. 2001) are in accordance with this hypothesis.

Of particular importance, other reports have associated the first two transmembrane

domains as crucial for PS1 stability, endoproteolysis and cellular maturation

(Thinakaran 2001; Leem, Saura et al. 2002).

Like its N-terminal counterpart, most of the PS1-CTF fragment (domain B) seems

implicated in heterodimerization and/or homodimerization. Our results are in

agreement with previous reports which, in sum, pinpoint different portions located at

the C-terminus of PS1-CTF implicated in PS1 maturation and/or γ-secretase-

associated activity (Tomita, Takikawa et al. 1999; Thinakaran 2001; Tomita,

Watabiki et al. 2001).

Taken together, our results clearly demonstrate that presenilin 1 and its

endoproteolytic fragments may undergo self-dimerization in vivo. Because PS1 NTF

and CTF generated fragments represent important AD therapeutic targets, their

physiological existence as homo- or hetero-oligomers could have important

implications for the development and screening of new drugs.

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ACKNOWLEDGMENTS:

We are grateful to Dr Madeleine Carreau for the revision of the manuscript. This

work was supported by grants from Canadian Institutes of Health Research (IRSC),

Fonds de la Recherche en Santé du Québec (FRSQ) and Alzheimer Society of

Canada.

REFERENCES

[1] Thinakaran, G. (2001) J Mol Neurosci 17, 183-92.

[2] Capell, A. et al. (1998) J Biol Chem 273, 3205-11.

[3] Steiner, H. et al. (1998) J Biol Chem 273, 32322-31.

[4] Yu, G. et al. (1998) J Biol Chem 273, 16470-5.

[5] Hébert, S.S., Godin, C., Tomiyama, T., Mori, H. and Levesque, G. (2003)

Biochem Biophys Res Commun 301, 119-26.

[6] Kimberly, W.T., LaVoie, M.J., Ostaszewski, B.L., Ye, W., Wolfe, M.S. and

Selkoe, D.J. (2003) Proc Natl Acad Sci U S A 100, 6382-6387.

[7] Van Gassen, G. and Annaert, W. (2003) Neuroscientist 9, 117-26.

[8] Thinakaran, G., Regard, J.B., Bouton, C.M., Harris, C.L., Price, D.L.,

Borchelt, D.R. and Sisodia, S.S. (1998) Neurobiol Dis 4, 438-53.

[9] Levesque, G. et al. (1999) J Neurochem 72, 999-1008.

[10] Hébert, S.S., Bourdages, V., Hiroshi, M., Levesque, G. (2003) Neurobiol. of

Disease in press.

[11] Godin, C., Auclair, A., Ferland, M., Hébert, S.S., Carreau, M., Levesque, G.

(2003) Neuroreport. in press.

[12] Edbauer, D., Winkler, E., Regula, J.T., Pesold, B., Steiner, H. and Haass, C.

(2003) Nat Cell Biol 5, 486-8.

[13] Wolfe, M.S. (2001) J Mol Neurosci 17, 199-204.

[14] Ratovitski, T., Slunt, H.H., Thinakaran, G., Price, D.L., Sisodia, S.S. and

Borchelt, D.R. (1997) J Biol Chem 272, 24536-41.

[15] Saura, C.A., Tomita, T., Davenport, F., Harris, C.L., Iwatsubo, T. and

Thinakaran, G. (1999) J Biol Chem 274, 13818-23.

[16] Haass, C. and Steiner, H. (2002) Trends Cell Biol 12, 556-62.

Page 76: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

63

[17] Davis, J.A. et al. (1998) Neuron 20, 603-9.

[18] Shen, J., Bronson, R.T., Chen, D.F., Xia, W., Selkoe, D.J. and Tonegawa, S.

(1997) Cell 89, 629-39.

[19] Takasugi, N., Tomita, T., Hayashi, I., Tsuruoka, M., Niimura, M., Takahashi,

Y., Thinakaran, G. and Iwatsubo, T. (2003) Nature 422, 438-41.

[20] Gouldson, P.R., Higgs, C., Smith, R.E., Dean, M.K., Gkoutos, G.V. and

Reynolds, C.A. (2000) Neuropsychopharmacology 23, S60-77.

[21] Schoneberg, T., Schultz, G. and Gudermann, T. (1999) Mol Cell Endocrinol

151, 181-93.

[22] Annaert, W.G., Esselens, C., Baert, V., Boeve, C., Snellings, G., Cupers, P.,

Craessaerts, K. and De Strooper, B. (2001) Neuron 32, 579-89.

[23] Leem, J.Y. et al. (2002) Neurobiol Dis 11, 64-82.

[24] Tomita, T., Takikawa, R., Koyama, A., Morohashi, Y., Takasugi, N., Saido,

T.C., Maruyama, K. and Iwatsubo, T. (1999) J Neurosci 19, 10627-34.

[25] Tomita, T., Watabiki, T., Takikawa, R., Morohashi, Y., Takasugi, N., Kopan,

R., De Strooper, B. and Iwatsubo, T. (2001) J Biol Chem 276, 33273-81.

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FIGURE LEGENDS:

Figure 1. Schematic representation of PS1 fusion proteins. (A) Illustration (not to scale) of fusion proteins coding for PS1 generated fragments.

Black squares represent hydrophobic regions corresponding to putative

transmembrane domains. Numbers represent the amino acid positions. Kyte-Doolittle

hydrophilicity plots for each construct cloned in fusion with Gal-4 binding and/or

activating domains are presented. Value smaller than 1.1 indicates an insoluble

protein. (B) PS1 engineered fragments cloned in fusion with Gal-4 binding domain

were expressed in yeast strain Y187. Equal amount of 1% CHAPS protein extracts

were run on 4-20% NuPage, blotted, and probed with anti-myc antibodies. Note:

pGBKT7 empty vector (mock) containing the DNA Binding Domain (DNA-BD)

tagged with c-myc epitope runs at approximately 25 kDa. Similar results were

obtained with PS1 engineered fragments cloned in fusion with Gal-4 activating

domain (data not shown).

Figure 2. PS1 NTF/CTF heterodimerization. (A) 5’HA-PS1-NTF was expressed in HEK293T cells and equal amounts of 1%

CHAPS protein extracts were incubated with either GST-PS1 CTF or GST alone.

Bound material was separated on 4-20% NuPAGE, blotted, and probed with anti-

PSN2. (B) Y187 yeast co-transformed colonies were assayed for β-galactosidase

activity according to Clontech procedures. Positive interactions were measured by the

blue coloration intensity (++++ represented the highest level and (-) represented

absence of coloration). Positive controls include pGBKT7-p53/pGADT7-T antigen

and pGBKT7-PS1- Loop 6-7/pGADT7-hNPRAP. (C) AH109 yeast co-transformed

colonies were assayed for His+ and Ade+ activity according to Clontech procedures.

Growth on SD/AHTL- indicates positive interactions between fusion partners. Growth

is indicated by positive (+) signs, where +++ represent the fastest (i.e. early growth

observed between 2-4 days) rate. Negative (-) sign indicate absence of growth after 10

days incubation. Results shown represent at least 3 independent experiences.

Figure 3. GST pull-down analysis. (A) pGBKT7-PS1-TM1-2, pGBKT7-PS1-Loop 1-2, pGBKT7-PS1-TM2 and Mock

(pGBKT7) were expressed in strain Y187, and equal amounts of 1% CHAPS yeast

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protein extracts were incubated with GST-PS1-CTF. Bound material was separated

on 4-20% NuPAGE, blotted, and probed with anti-myc. (B) pGBKT7-PS1-Loop 6-7,

pGBKT7-PS1-CTF and Mock (pGBKT7) were expressed in strain Y187, and equal

amounts of 1% CHAPS yeast protein extracts were incubated with GST-PS1 CTF.

Bound material was separated on 4-20% NuPage, blotted, and probed with anti-myc.

Figure 4. Hypothetical model of presenilin-1 maturation. Nascent presenilin-1 (PS1) is expressed as a 45-50 kDa holoprotein. Following full-

length/full-length homodimerization, PS1 is cleaved by “presenilinase” to generate

stable fragment hetero- and homodimers (tetramers). Either pre- or post- PS1

endoproteolytic cleavage, PS1 fragments associate with Nicastrin, Aph-1 and Pen-2 to

form a functionally active high molecular weight γ-secretase complex.

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CHAPITRE V

La préséniline-1 se lie directement au « β-site APP cleaving

enzyme » (BACE1)

Note : Ce chapitre, présenté sous la forme d’un manuscrit publié dans la revue Neurobiology of Disease (Neurobiol Dis. 2003 Aug;13(3):238-45.), résume une partie des travaux effectués dans le cadre de mon projet de doctorat. Plus spécifiquement, ce travail contient des expériences visant à atteindre mon deuxième objectif de travail (décrit dans le chapitre 2 à la page 24). Comme ma contribution dans la conception (approches expérimentales), la réalisation (constructions plasmidiques et manipulations) et la rédaction (incluant le montage des figures) de ce travail est majoritaire, mon nom apparaît comme premier auteur sur le manuscrit. Il est important de souligner l’apport fortement apprécié de mon directeur de recherche, Dr Georges Lévesque, dans la rédaction de ce travail (environ 50%). Aussi, il est important de souligner l’apport très apprécié de mes consoeurs de laboratoire, Mme Valérie Bourdages (confirmation des interactions PS1 et BACE en double-hybride), Mme Chantal Godin (construction de pGBKT7-APP) et Mme Mélissa Ferland (confirmation de certains contrôles négatifs en double-hybride) dans la réalisation technique de ce travail. De plus, nous tenons à remercier Dre Madeleine Carreau pour ses conseils et son support matériel (anticorps anti-FITC, anti-PE, le DAPI et le microscope). Cet article est disponible sur Internet en version originale anglaise à l’adresse électronique suivante : http://dx.doi.org/10.1016/S0969-9961(03)00035-4

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Résumé

Une des principales lésions neuropathologiques observées chez le cerveau des patients

atteints de la maladie d’Alzheimer sont les plaques amyloïdes. Les plaques amyloïdes

(aussi appelées plaques séniles) sont composées principalement d’un court peptide

neurotoxique, nommé peptide Aβ42. Aβ42 est généré de la protéine précurseur AβPP

suite à deux clivages par la β-secrétase (nouvelle aspartyl protéase appelée BACE) et

le complexe γ-secrétase comprenant préséniline-1 (PS1). Cette étude découle

d’expériences effectuées en levure qui avaient pour but de développer un essai

fonctionnel pour la γ-secrétase in vivo. Nous démontrons, par technique de double

hybride en levure, une interaction directe entre BACE et PS1 sauvage. Cette

observation a été confirmée en culture de cellules avec des expériences de co-

immunoprécipitation et de co-localisation dans des cellules humaines HEK293T. Nos

résultats préliminaires montrent que la PS1 se lie préférentiellement à la forme

immature (c'est-à-dire, le zymogène) de BACE. En conclusion, l’ensemble de ces

résultats suggèrent que la PS1 peut jouer un rôle dans la maturation et/ou l’activité de

BACE in vivo.

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Presenilin-1 interacts directly with the beta-site APP cleaving enzyme

(BACE1).

Sébastien S. Hébert1, Valerie Bourdages1, Chantal Godin1, Mélissa Ferland1

Madeleine Carreau1 and Georges Lévesque1, 2

1Molecular and Human Genetics Unit, CHUQ-Pavillon St-François d'Assise, 10 rue

de l'Espinay, Québec, Canada G1L 3L5, 2 Medical Biology Department, Laval

University, Quebec, Canada, G1K 7P4

Address correspondence to: Dr. Georges Lévesque, Molecular and Human Genetics

Unit, CHUQ-Pavillon St-François d'Assise, 10 rue de l' Espinay, Québec, Canada

G1L 3L5.

Tel: 418-525-4444 ext 3752

Fax: 418-525-4195

Email: [email protected]

Running title: Presenilin-1 interacts with BACE1

Keywords: presenilin, beta-site APP cleaving enzyme (BACE1), amyloid, γ-

secretase, Alzheimer disease.

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ABSTRACT

A neuropathological hallmark of Alzheimer disease is the presence of amyloid

plaques. The major constituent of these plaques, occurring largely in brain areas

important for memory and cognition, is the 40-42 amyloid residues (Aβ). Aβ is

derived from the amyloid protein precursor (APP) after cleavage by the recently

identified β-secretase (BACE1) and the putative γ-secretase complex containing the

presenilin 1 (PS1). In an attempt to develop a functional secretase enzymatic assay in

yeast we demonstrate a direct binding between BACE1 and PS1. This interaction was

confirmed in vivo using co-immunoprecipitation and co-localization studies in human

cultured cells. Our results show that PS1 preferably binds immature BACE1, thus

possibly acting as a functional regulator of BACE1 maturation and/or activity.

INTRODUCTION

Amyloid-beta (Aβ) deposition in brain of Alzheimer disease (AD) patients is

considered as a central event in the pathogenesis of AD in both genetic and non-

genetic forms (Hardy, Duff et al. 1998; Torreilles and Touchon 2002). Aβ42 fragment

is the major component of senile plaques and probable cause of dementia in

Alzheimer’s disease. Aβ42, which accumulates in the brain plaques, derives from an

amyloid protein precursor (APP) after a series of two endoproteolytic cleavages

(Selkoe 2001). The first cleavage involves the recently identified aspartyl protease β-

secretase, BACE1, which generate an APP C-terminal fragment, namely C99 (Vassar,

Bennett et al. 1999). The putative γ-secretase complex containing at least presenilin-1

(PS1) and nicastrin then cleaves the C99 fragment (Yu, Nishimura et al. 2000).

Together, these cleavages give rise to a series of peptides that contain the 40-42

amino acids Aβ. Both BACE1 and PS1 possess, either directly or indirectly secretase-

associated activities.

BACE1 is a type I integral membrane aspartyl protease highly expressed in neuron

(Vassar, Bennett et al. 1999). Maturation of BACE1 involves a series of post-

translation modifications during its intracellular trafficking through the trans-Golgi

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network. One of these modifications occurs in the Golgi and consists in the BACE1

pro-domain cleavage by furin (Bennett, Denis et al. 2000). The resulting BACE1

starts at residue Glu-46 and localizes within intracellular compartments of the

secretory pathway, in particular Golgi and endosomes where it co-localized with APP

(Yan, Han et al. 2001). Contrary to PS1, no mutation in BACE1 has been associated

with Alzheimer’s disease or with an increased production of Aβ (Murphy, Yip et al.

2001). Although BACE1 catalytic activity is well documented, little is known about

the cell biology of this enzyme.

The second enzyme implicated in the Aβ cleavage is named γ-secretase. Identity of

the γ-secretase is actually unknown, although biochemical studies have shown that the

γ-secretase is a multimer enzymatic complex containing at least PS1, Nicastrin, Aph-1

and Pen-2 (Haass and De Strooper 1999; Yu, Nishimura et al. 2000; Francis, McGrath

et al. 2002; Leem, Vijayan et al. 2002). Interestingly, AD-associated mutations in PS1

lead to an increase in Aβ formation (Citron, Westaway et al. 1997). PS1 is a polytopic

transmembrane protein located primarily in the endoplasmic reticulum (ER), the early

Golgi and, to a lesser extent, at the cell surface and nuclear membrane (Sherrington,

Rogaev et al. 1995; Li, Xu et al. 1997; Kaether, Lammich et al. 2002). The precise

role of PS1 is not fully understood as it is associated with diverse biological functions

such as protein folding and trafficking, cleavage of type-1 membrane proteins,

intracellular adhesion, GSK-3 and Tau metabolism, signal transduction and neuronal

apoptosis (Sato, Imaizumi et al. 2001; Lee, Jung et al. 2002; Marambaud, Shioi et al.

2002; Zhou, Zhang et al. 2002). The important role of both BACE1 and PS1 in the

brain Aβ build-up has made them excellent therapeutic targets. In an attempt to

develop a functional in vivo γ-secretase assay in yeast (manuscript in preparation) we

observed a direct interaction between BACE1 and PS1. Co-immunoprecipitation,

GST-pull down assay and co-localization studies in cultured human cells confirm this

interaction in vivo. Our results demonstrate that PS1 may have a regulatory effect on

BACE1 activity/maturation.

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METHODS

1) Yeast two-hybrid assay. cDNA sequences encoding human PS11-467 wt and BACE11-501 (gift from Dr. Christian

Haass) were cloned both into pGBKT7 and pGADT7 vectors (Clontech) as a fusion to

the Gal4-DNA binding domain and Gal4-DNA activating domain, respectively. Each

clone was sequenced and shown to be free of autonomous Gal-4 activation. Each of

the pGBKT7-construct (pGBKT7-PS1 or pGBKT7-BACE1) was co-transformed into

AH109 Saccharomyces cerevisiae (Clontech) together with each pGADT7-construct

(pGADT7-PS1 or pGADT7-BACE1). Transformants were selected on yeast drop-out

media (Clontech) that lacked both tryptophan and leucine (TL-) and assayed for

histidine (His +) and adenine (Ade +) reporter activation. Positive control included

pGBKT7-p53/pGADT7-T antigen.

2) Cell culture and transfection.

Human embryonic kidney 293T cells (HEK293T) were cultured in Dulbecco's

modified Eagle's medium (DMEM, Gibco) supplemented with 10% (v/v) fetal bovine

serum (Biomedia) and Geneticin ® antibiotics (Invitrogen). Stock cultures were

maintained at 37 °C in a humidified atmosphere consisting of 5% CO2, 95% air.

HEK293T cells were transiently transfected using Lipofectamine reagent (Invitrogen)

with cDNAs corresponding to full length human BACE1 and human PS1 wt with or

without myc-tagged at the N-terminus. The empty pcDNA3 vector (Invitrogen) was

used as control.

3) Preparation of cell lysates, immunoprecipitation and immunoblotting.

HEK 293T native and transfected cells were rinsed twice with ice-cold phosphate

buffer saline (PBS) then lysed for 30 min on ice in cell lysis buffer [25 mM HEPES,

150 mM NaCl, 1% Triton X-100, 2 mM EDTA, 1 mM PMSF and mini-complete

protease inhibitors (Roche-Diagnostic)]. Insoluble material was removed by

centrifugation at 13,000 X g for 15 min at 4°C. Proteins were quantified using a

standard Bradford assay (Pierce). One mg of total protein was subjected to overnight

immunoprecipitation at 4°C with anti c-myc or HA antibodies. Protein G-plus

Agarose (VWR-Canlab) was subsequently added to the antibody-antigen complex and

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incubated for 2 h at 4°C. The beads were washed four times with washing buffer

(0,2% Nonidet P-40, 50 mM Tris-HCl (pH 7,6), 150 mM NaCl, and 2 mM EDTA).

Equal amounts of immunoprecipitated proteins were mixed with Novex ® 2X

reducing sample buffer (0.5 M Tris-HCl pH 6.8, glycerol 20%, SDS 10%,

bromophenol blue 0.1% and 5% β-mercaptoethanol), boiled for 3 min, then subjected

to SDS-PAGE. Equal amounts of crude protein lysates (50 µg) were fractionated as

above, however, samples were kept at 37°C for 5 min before loading onto the gel.

After migration, proteins were transferred onto PVDF membranes (Amersham)

according to the manufacturer protocol. Western blots were probed with anti-PS1

antibodies, either Ab-14 (gift from Dr P. Fraser) or PSN2 (gift from Dr H. Mori), and

BACE1 specific antibody (Oncogene). Blots were revealed using chemiluminescence

detection system, ECL+ (Amersham).

4) Production of recombinant proteins and in vitro GST-binding assay.

cDNA encoding BACE1 was subcloned into pGEX4T-1 (Pharmacia) and transformed

into E.coli BL21 strain. BACE1-GST fusion protein was induced 6 h with 1 mM

IPTG and released by sonication in PBS-1% Triton X-100. Bacterial protein extracts

were incubated with 50µl of GST 4B sepharose either in suspension or in a mini-

column (Pharmacia) for 1h at 4°C with continuous rocking. After washing with PBS,

1 mg of protein extracted from non-transfected HEK293T cells were added to

BACE1-GST fusion protein linked to GST 4B sepharose and the mixture was

incubated for 2h at 4°C with continuous rocking. Samples were washed four times

with GST washing buffer (20 mM TRIS, pH 8.0, 100 mM NaCl, 0.5 % NP-40, 0.5

mM EDTA), eluted with 50 µl of GST elution buffer (Pharmacia) and mixed with 50

µl of 2X SDS-PAGE sample buffer (0.5 M Tris-HCl, pH 6.8, glycerol 20%, SDS

10%, DTT 1 mM, bromophenol blue 0.1%). Samples were incubated at 100°C for 3

min and subjected to SDS-PAGE as described above. Western blots were probed

with appropriate antibodies.

5) Immunofluorescence

Native HEK293T cells were grown on glass coverslips to subcellular confluence (i.e.

75-90% confluence). Cells were washed twice in cold PBS, fixed and permeabilized

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in acetone/methanol (7:3), then incubated for 30 min at -20ºC. After incubation, cells

were rehydrated in PBS at room temperature for 10 min. Nonspecific binding was

blocked with 1% bovine serum albumin. Cells were probed with primary antibody,

either PSN2 or BACE1 hyperimmune serum (Oncogene). Appropriate fluorochrome

FITC- (DAKO) or PE- (Pharmingen) conjugated antibodies were used as secondary

antibodies. Cell nuclei were stained with DAPI (1ug/ml) (Sigma) and visualized using

an inverted fluorescence microscope (Nikon TE300, Nikon Canada) equiped with a

CCD camera (Coolsnap, Roper Scientific)

RESULTS BACE1 and PS1 interact in yeast. In an attempt to develop a functional secretase enzymatic assay in yeast we

demonstrated a direct binding between BACE1 and PS1. This direct interaction was

first analyzed by the yeast two-hybrid interaction trap assay. The yeast two-hybrid

assay is a robust method designed to study direct interaction between two biochemical

partners. For this assay we have constructed a series of yeast expression vectors with

cDNAs representing the open reading frame of PS1, BACE1, APP and lamin C. All

cDNAs were cloned in fusion to either the Gal-4 DNA binding domain (BD) in

pGBKT7 vector or the Gal-4 DNA activating domain (AD) in pGADT7 vector. PS1,

BACE1, and APP expression in yeast was confirmed by western blotting (data not

shown). In yeast, in contrast to mammalian cells, the BACE1 pro-domain is not

processed by furin (Hébert et al., manuscript in preparation). This particularity allows

us to use the BD or AD-BACE1 fusion protein in a yeast two-hybrid assay. Co-

transformation of PS1, BACE1, or APP constructs in yeast AH109 resulted in colonies

that were able to grow on tryptophan and leucine deficient media (-TL). Interaction

between two partners allows colonies to grow on selective media lacking tryptophan,

leucine, histidine, adenine (-TLHA). As shown in figure 1, we observed an interaction

between BACE1 and APP (Fig. 1a) as well as BACE1 and PS1 (Fig. 1c). The latter

interaction was confirmed using both BD-PS1 with AD-BACE1 (Fig. 1c) and BD-

BACE1 with AD-PS1 (Fig. 1d). BACE1-APP interaction was expected since BACE1

has been shown to directly cleave APP in vitro. Interestingly, no interaction was

observed between APP and PS1 using the yeast-2-hybrid assay, which tested for

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direct interaction between 2 non-conserved proteins in yeast (Fig. 1b). This result

suggests that association between PS1 and APP is likely to be indirect. Other groups

have also reported absence of interaction between APP and PS1 (Kim, Choi et al.

1997; Thinakaran, Regard et al. 1998; Ray, Yao et al. 1999). Papers reporting APP-

PS1 interaction have based their results only from co-immunoprecipitation or GST-

pull down methods using total cell protein extracts which are both indirect methods.

Using these indirect methods it cannot be excluded that another protein acts as a

bridge between APP and PS1. Such tripartite APP-nicastrin-PS1 interaction has

already been proposed (Chen, Yu et al. 2001). Absence of direct APP-PS1 interaction

may also reflect purified PS1 inability to process APP-C99 in vitro (G. Levesque,

personal observation) contrarily to BACE, which can process APP in a test tube

(Vassar, Bennett et al. 1999). A more plausible explanation is that PS1 acts as a

regulating co-factor of the γ-secretase complex. In this case, absence of PS1 may not

completely abolish γ-secretase activity as reported recently (Armogida, Petit et al.

2001; Wilson, Doms et al. 2002).

To evaluate the specificity of our yeast two-hybrid assays, we tested our constructs

against a non-specific protein and empty vectors. We found no interaction either

between PS1, BACE1 or APP and Lamin (Fig. 1-e, f, g respectively) or empty vectors

(Fig. 1-j, h, l respectively). These control experiments showed that BACE1 does not

lead to non-specific interactions in a yeast 2-hybrid assay. The two-hybrid assay was

validated using two known biochemical partners, anti-T and p53 (Fig. 1-n).

Altogether, our results demonstrate that interaction between BACE1 and PS1 or APP

is direct and specific and not due to autonomous or non-specific activation of the

yeast reporter genes.

BACE1 and PS1 immunoprecipitation. Although the yeast 2-hybrid assay is a robust method to identify direct protein-protein

interactions, we have undertaken additional experiments designed to determine

whether BACE1-PS1 interaction occurs in mammalian cells. These experiments are

related to immunoprecipitation from double transfected HEK293T cells. Prior to

immunoprecipitation experiments, expression of both 5’myc-tagged PS1 and BACE1

was evaluated in the doubly transfected HEK293T cells. We found that both proteins

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are highly expressed after transfection (Fig. 2A, lane 2 and 2B, lane 2). We also

demonstrated that anti-myc immunoprecipitation is specific for PS1 (Fig. 2A, lane 4).

We then analysed if PS1 can co-immunoprecipitate BACE1. Our results clearly show

that PS1 and BACE1 can be co-immunoprecipitated from lysate of cells doubly

transfected with both 5’myc PS1 and BACE1 (Fig. 2B, lane 4). In contrast, co-

immunoprecipitation did not occur from lysate of empty vector transfected cells (Fig.

2A, lane 3; B, lane 3). Non-specific immunoprecipitation using anti-HA did not pull

down PS1 or BACE1 (Fig. 2A, lane 5; B, lane 5). This anti-HA immunoprecipitation

is used as a negative control to show that PS1 nor BACE1 bind non-specifically to the

protein G-plus agarose. To demonstrate the specificity of PS1-BACE1 interaction, we

designed another set of experiments in which we used anti-BACE1 to co-

immunoprecipitate non-tagged PS1. We found that PS1 can be co-

immunoprecipitated with anti-BACE1 antibodies (Fig. 2C, lane 2). Moreover, the PS1

immunoreactive band could be abolished by preabsorption of the BACE1 antibody

with the cognate peptide (Fig. 2C, lane 3). Cumulatively, these experiments showed

that BACE1 and PS1 can be reciprocally co-immunoprecipitated in mammalian cells.

These results also confirmed their in vivo interaction.

BACE1 and PS1 GST-pull down. To exclude the remote possibility that BACE1 and PS1 interaction observed in both

yeast two-hybrid and co-immunoprecipitation studies is an artifact arising from

protein overexpression we used a GST-pull down assay to confirm BACE1

interaction with endogenous PS1 protein. Recombinant BACE1-GST fusion was

produced in E. coli BL21 strain. Expression of GST alone or BACE1-GST fusion

protein was confirmed by acrylamide gel electrophoresis after Coomassie blue

coloration (Fig. 2E, lane 1 and 2 respectively). Consistent with the yeast two-hybrid

and co-immunoprecipitation results, endogenous PS1 was pulled down with GST-

BACE1 immobilized on glutathione sepharose using either suspension or mini-

column methods (Fig. 2D, lane 2). In contrast, no PS1 was pulled down in the GST

alone fraction (Fig. 2D, lane 1). Interestingly, we observed that endogenous PS1 N-

terminal fragments could be pulled down by BACE1 (Fig. 2D, lane 2). These results

suggest that BACE1 interaction with PS1 may occur via the N-ternimal end of PS1.

Fine mapping of BACE1-PS1 interaction sites is ongoing in our laboratory.

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BACE1 and PS1 co-localize in the cell. To further confirm BACE1- PS1 interaction results obtained from yeast two-hybrid

and immunoprecipitation experiments we studied the cellular localization of these two

biochemical partners. We demonstrate that both proteins are expressed in the same

adjacent/contiguous subcellular compartments. In non-transfected cells,

immunofluorescence study shows that PS1 and BACE1 have overlapping intracellular

distributions. Thus, PS1 has a predominantly ER/Golgi and plasma membrane

distribution (as previously demonstrated) contiguous with that of BACE1 (Fig. 3 A-

C). Co-localization of BACE1 and PS1 suggests that PS1 may regulate the maturation

or transport of BACE1 in the secretory pathway. Also, their presence at the plasma

membrane correlates with their role in APP cleavage.

DISCUSSION

Alzheimer disease is caracterized by Aβ-peptides accumulation and deposition in the

brain. The role of Aβ as a trigger of neuronal death is not clear but the amyloid

cascade hypothesis is actually very attractive and there are strong arguments

supporting this (Sinha 2002). The formation of Aβ requires the activity of both β-

secretase (BACE1) and γ-secretase complex which includes PS1. These two enzymes

are extremely important as therapeutic targets. However, little is clearly known about

their physiological functions or the biological regulation of their activities.

In this paper, we have clearly demonstrated using 3 different approaches that BACE1

and PS1 interact directly. Our co-localization study support previous findings in

neurons where BACE1, APP and PS1 were shown to be in the same cellular

membrane compartments (Kamal, Almenar-Queralt et al. 2001). The physiological

role of BACE1-PS1 interaction is not clear. By binding directly to each other, they

may contribute either mutually or sequentially to Aβ42 production. Our BACE1 and

PS1 co-immunoprecipitation studies have demonstrated that PS1 binds preferentially

to the glycosylated immature BACE1. This observation raises the possibility that PS1

is implicated in the proper maturation of BACE1. PS1 modulation of BACE1 activity

may explain the following observations about the PS1functional role in APP

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processing. Firstly, it has been shown by Yu et al. (Yu, Nishimura et al. 2000) that

deletion of nicastrin (a PS1 partner in the γ-secretase complex) DYIGS conserved

domain reduces Aβ production probably by destabilization of the presenilin-nicastrin

interaction in the γ-secretase complex. Surprisingly, this Aβ reduction is not

associated with the expected increased level of APP C99, resulting from BACE1

cleavage. In this case, it seems that not only the γ-secretase activity is reduced but also

the β-secretase. Destabilization of PS1 may have an effect on BACE1 activity.

Secondly, it has been reported that mice lacking both presenilin genes, PS1 and PS2

accumulate APP C83, resulting from an α-secretase cleavage, with almost no

detectable APP C99 (Zhang, Nadeau et al. 2000). Again, this observation suggests

that presenilins may regulate BACE1 activity. Thirdly, Armogida et al. (Armogida,

Petit et al. 2001) have reported that mouse fibroblasts deficient in both presenilin 1

and 2 accumulate an endogenous APP C-terminal fragment not labeled by a specific

antibody, FCA18 , which recognizes only genuine β-secretase-derived peptides. As

discussed by the authors, this C-terminal fragment probably corresponds to APP C83.

Finally, Beher et al. (Beher, Wrigley et al. 2002) have recently demonstrated that the

production of all truncated amyloid-beta peptides, except those released by the action

of the nonamyloidogenic alpha-secretase enzyme, depends on gamma-secretase

activity. These authors suggested that none of these peptides are generated by a

separate enzyme entity and a specific inhibitor of the gamma-secretase enzyme should

have the potential to block the generation of all amyloidogenic-peptides. Our results

also support the hypothesis that both BACE1 and PS1 are working together in the

amyloid cascade.

An argument against PS1 role in modulation of BACE1 activity may be the fact that

purified BACE1 can cleave APP in a test tube in the absence of PS1. However, in

vitro testing of BACE1 activity does not reflect multiple in vivo cellular processes

leading to protein maturation and localization. We argue that PS1 probably has a role

in BACE1 transport/trafficking to ensure its maturation and precise cell compartment

localization.

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During the preparation of this manuscript, a report by Hattori et al. (Hattori, Asai et

al. 2002) described an interaction between BACE1 and nicastrin. In their work, they

use co-immunoprecipitation methods to demonstrate the interaction. In this case, it is

possible that BACE1 and nicastrin does not bind directly to each other and PS1 is

probably the linker. Consistent with this finding, our results from yeast experiments

clearly demonstrated a direct interaction between BACE1 and PS1. The physiological

significance of the BACE1-PS1 interaction is actually being explored as well as the

effects of PS1 mutations on this interaction and on BACE1 activity. Interestingly, PS1

mutations in AD brain were shown to affect not only γ-secretase activity but β-

secretase as well (Russo, Schettini et al. 2000). It is well documented that PS1

mutations increase Aβ42 production (Citron, Westaway et al. 1997; Citron, Eckman

et al. 1998; Petanceska, Seeger et al. 2000). Since the γ-secretase substrate leading to

Aβ42 production is produced following BACE1 cleavage, modulation of BACE1

activity may also modulate the availability of the γ-secretase substrate. One

observation supporting this hypothesis is that the APP Swedish mutation leads both to

an increase of BACE1 cleavage and Aβ42 production (Sinha and Lieberburg 1999)

(Steinhilb, Turner et al. 2002). It does not seem that the γ-secretase activity is the

limiting factor in this enzymatic process.

Taken together, our results suggest that PS1 through a direct binding may be

implicated in the control of BACE1 activity. Our findings are also in agreement with

a PS1 role in the ER-Golgi transport/maturation of BACE1. While the functional

implications of this interaction are not immediately apparent, it is of note that these

two proteins are working together during Aβ formation. Nevertheless, more work is

needed to clarify the functional role of this interaction.

ACKNOWLEDGMENTS

This work was supported by grants from Canadian Institutes of Health Research

(IRSC) and Fonds de la Recherche en Santé du Québec (FRSQ).

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REFERENCES

Armogida, M., et al. (2001). "Endogenous beta-amyloid production in presenilin-

deficient embryonic mouse fibroblasts." Nat Cell Biol 3(11): 1030-3.

Beher, D., et al. (2002). "Generation of C-terminally truncated amyloid-beta peptides

is dependent on gamma-secretase activity." J Neurochem 82(3): 563-75.

Bennett, B. D., et al. (2000). "A furin-like convertase mediates propeptide cleavage of

BACE, the Alzheimer's beta -secretase." J Biol Chem 275(48): 37712-7.

Chen, F., et al. (2001). "Nicastrin binds to membrane-tethered Notch." Nat Cell Biol

3(8): 751-4.

Citron, M., et al. (1998). "Additive effects of PS1 and APP mutations on secretion of

the 42- residue amyloid beta-protein." Neurobiol Dis 5(2): 107-16.

Citron, M., et al. (1997). "Mutant presenilins of Alzheimer's disease increase

production of 42- residue amyloid beta-protein in both transfected cells and

transgenic mice." Nat Med 3(1): 67-72.

Francis, R., et al. (2002). "aph-1 and pen-2 are required for Notch pathway signaling,

gamma- secretase cleavage of betaAPP, and presenilin protein accumulation."

Dev Cell 3(1): 85-97.

Haass, C. and B. De Strooper (1999). "The presenilins in Alzheimer's disease--

proteolysis holds the key." Science 286(5441): 916-9.

Hardy, J., et al. (1998). "Genetic dissection of Alzheimer's disease and related

dementias: amyloid and its relationship to tau." Nat Neurosci 1(5): 355-8.

Hattori, C., et al. (2002). "BACE1 interacts with nicastrin." Biochem Biophys Res

Commun 293(4): 1228-32.

Imaizumi, K., et al. (2001). "The unfolded protein response and Alzheimer's disease."

Biochim Biophys Acta 1536(2-3): 85-96.

Kaether, C., et al. (2002). "Presenilin-1 affects trafficking and processing of betaAPP

and is targeted in a complex with nicastrin to the plasma membrane." J Cell

Biol 158(3): 551-61.

Kamal, A., et al. (2001). "Kinesin-mediated axonal transport of a membrane

compartment containing beta-secretase and presenilin-1 requires APP." Nature

414(6864): 643-8.

Page 98: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

85

Kim, S. S., et al. (1997). "Lack of interactions between amyloid precursor protein and

hydrophilic domains of presenilin 1 and 2 using the yeast two hybrid system."

J Mol Neurosci 9(1): 49-54.

Lee, H. J., et al. (2002). "Presenilin-dependent gamma-secretase-like intramembrane

cleavage of ErbB4." J Biol Chem 277(8): 6318-23.

Leem, J. Y., et al. (2002). "Presenilin 1 is required for maturation and cell surface

accumulation of nicastrin." J Biol Chem 277(21): 19236-40.

Li, J., et al. (1997). "Alzheimer presenilins in the nuclear membrane, interphase

kinetochores, and centrosomes suggest a role in chromosome segregation."

Cell 90(5): 917-27.

Marambaud, P., et al. (2002). "A presenilin-1/gamma-secretase cleavage releases the

E-cadherin intracellular domain and regulates disassembly of adherens

junctions." Embo J 21(8): 1948-56.

Murphy, T., et al. (2001). "The BACE gene: genomic structure and candidate gene

study in late-onset Alzheimer's disease." Neuroreport 12(3): 631-4.

Petanceska, S. S., et al. (2000). "Mutant presenilin 1 increases the levels of Alzheimer

amyloid beta- peptide Abeta42 in late compartments of the constitutive

secretory pathway." J Neurochem 74(5): 1878-84.

Ray, W. J., et al. (1999). "Evidence for a physical interaction between presenilin and

Notch." Proc Natl Acad Sci U S A 96(6): 3263-8.

Russo, C., et al. (2000). "Presenilin-1 mutations in Alzheimer's disease." Nature

405(6786): 531-2.

Selkoe, D. J. (2001). "Alzheimer's disease: genes, proteins, and therapy." Physiol Rev

81(2): 741-66.

Sherrington, R., et al. (1995). "Cloning of a gene bearing missense mutations in early-

onset familial Alzheimer's disease." Nature 375(6534): 754-60.

Sinha, S. (2002). "The role of beta-amyloid in Alzheimer's disease." Med Clin North

Am 86(3): 629-39.

Sinha, S. and I. Lieberburg (1999). "Cellular mechanisms of beta-amyloid production

and secretion." Proc Natl Acad Sci U S A 96(20): 11049-53.

Steinhilb, M. L., et al. (2002). "ELISA analysis of beta-secretase cleavage of the

Swedish amyloid precursor protein in the secretory and endocytic pathways." J

Neurochem 80(6): 1019-28.

Page 99: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

86

Thinakaran, G., et al. (1998). "Stable association of presenilin derivatives and absence

of presenilin interactions with APP." Neurobiol Dis 4(6): 438-53.

Torreilles, F. and J. Touchon (2002). "Pathogenic theories and intrathecal analysis of

the sporadic form of Alzheimer's disease." Prog Neurobiol 66(3): 191-203.

Vassar, R., et al. (1999). "Beta-secretase cleavage of Alzheimer's amyloid precursor

protein by the transmembrane aspartic protease BACE." Science 286(5440):

735-41.

Wilson, C. A., et al. (2002). "Presenilins are not required for Abeta42 production in

the early secretory pathway." Nat Neurosci 29: 29.

Yan, R., et al. (2001). "The transmembrane domain of the Alzheimer's beta-secretase

(BACE1) determines its late Golgi localization and access to beta -amyloid

precursor protein (APP) substrate." J Biol Chem 276(39): 36788-96.

Yu, G., et al. (2000). "Nicastrin modulates presenilin-mediated notch/glp-1 signal

transduction and betaAPP processing." Nature 407(6800): 48-54.

Zhang, Z., et al. (2000). "Presenilins are required for gamma-secretase cleavage of

beta-APP and transmembrane cleavage of Notch-1." Nat Cell Biol 2(7): 463-5.

Zhou, Y., et al. (2002). "Presenilin-1 protects against neuronal apoptosis caused by its

interacting protein PAG." Neurobiol Dis 9(2): 126-38.

Page 100: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

87

FIGURE LEGENDS

FIG 1. Two-hybrid assay demonstrating BACE-PS1 interaction. Representative Saccharomyces cerevisiae AH109 strain colony growth. Positive co-

transformation with both pGBKT7 and pGADT7 constructs was confirmed by colony

growth on TL- . Activation of His and Ade reporter genes was used to verify

interaction between two proteins. Colony formation after 4 days of incubation on

SD/TLHA- was considered as positive interaction between fusion partners. Absence

of colony after 4 days was considered as an absence of interaction. However, plates

with negative results were incubated 10 days to confirm absence of growth. Each

hybrid assay was performed at least 3 times.

FIG 2. In vivo immunoprecipitation of BACE with PS1. Immunoprecipitation and GST pull down assays confirm that BACE and PS1 interact

in vivo. A: detection of 5’myc-tagged PS1 following immunoprecipitation (IP) with

anti-myc(9E10.2). Myc-tagged PS1 can be detected in IP products from double

transfected cells (lane 4) but not in mock transfected cells (lane 3) or in non-specific

anti-HA immunoprecipitated products (lane 5). Lane 1 and 2 are lysates from mock

and double transfected cells, respectively. Western blots were probed with anti-PS1,

PSN2. B: detection of BACE in co-immunoprecipitates following IP with anti-myc

antibody. BACE can be detected in IP products from double transfected cells (lane 4)

but not in mock transfected cells (lane 3) or in non-specific anti-HA

immunoprecipitated products (lane 5). Lane 1 and 2 are lysates from mock and double

transfected cells, respectively. Western blots were probed with anti-BACE (Ab-1). C:

detection of PS1 in co-immunoprecipitates following IP with anti-BACE antibody.

PS1 can be detected in IP products from double transfected cells (lane 2) but not in

mock transfected cells (lane 1). PS1 cannot be immunoprecipitated with anti-BACE in

the presence of competitive BACE cognate peptide (lane 3). Western blots were probe

with PSN2. D: Western blot analysis of endogenous PS1 in GST-BACE precipitates

following either column or suspension GST chromatographic extraction. PS1 N-

terminal fragment from native HEK293T lysate can be detected as coeluants with

BACE using anti-PS1 antibody, Ab-14 (lane 2). Similar results were obtained using

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anti-PS1 antibody, PSN2 (data not shown). PS1 does not coelute in extracts from GST

only fractions (lane 1). E: Coomassie gel staining showing GST or GST-BACE

fusion protein expression level (lane 1 and 2 respectively).

FIG 3. Intracellular localization of endogenous BACE and PS1. Native HEK293T cells were labeled with appropriate FITC- or PE- conjugated

fluorochrome and observed by fluorescence microscopy. Panel A: labeled with PS1

antibody PSN2 and FITC-conjugated secondary antibody. Panel B: labeled with

BACE antibody Ab-1 and PE-conjugated secondary antibody. Panel C: Merging

images showing co-localization (yellow) predominantly in the ER/Golgi structures

and at the plasma membrane. Panel D: cell nuclei stained with DAPI. Panel E:

control stained with PE-conjugated secondary antibody alone. Panel F: control

stained with FITC-conjugated secondary antibody alone.

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CHAPITRE VI

La forme immature de BACE1 régule le métabolisme de

l’holoprotéine PS1

Note : Ce chapitre, présenté sous la forme d’un manuscrit prêt à la soumission pour une revue scientifique, résume la suite des travaux effectués dans le cadre de mon projet de doctorat. Plus spécifiquement, ce travail visait à compléter mon deuxième objectif de travail (décrit dans le chapitre 2 à la page 24). Comme ma contribution dans la conception (approches expérimentales), la réalisation (constructions plasmidiques et manipulations) et la rédaction (incluant le montage des figures) de ce travail est majoritaire, mon nom apparaît comme premier auteur sur le manuscrit.

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Résumé

Les activités β- et γ-secrétases sont responsables du clivage de la protéine précurseur

AβPP et par conséquent la production des peptides amyloïdes. Dans le cerveau des

patients atteints de la maladie d’Alzheimer, ces peptides se déposent en plaques et

sont considérés par plusieurs la principale cause de démence. La β-secrétase est une

enzyme de type aspartyl protéase, la « β-site AβPP cleaving enzyme » (BACE).

Préséniline-1 (PS1), une protéine multi-transmembranaire de type serpentine, semble

constituée la portion catalytique da la γ-secrétase. Nous avons récemment démontré

une interaction directe entre BACE et PS1, suggérant une collaboration intime dans la

production des peptides amyloïdes. Dans cette étude, nous démontrons, dans un

premier temps, une interaction entre la forme immature de BACE et l’holoprotéine

PS1, et ce, à un niveau endogène dans les cellules HEK293T. Ensuite, il a été

possible de démontrer une interaction entre la BACE et différents mutants PS1

associés à une forme familiale de la maladie d’Alzheimer. Des résultats préliminaires

suggèrent que la BACE régule l’endoprotéolyse de la PS1 in vivo. L’effet de BACE

sur PS1 est indépendant de l’activité γ-secrétase et celle du proteasome. En

conclusion, l’ensemble des résultats suggèrent que BACE joue un rôle dans la

régulation du métabolisme de la PS1 et possiblement de l’activité γ-secrétase.

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BACE1 immature species regulate PS1 holoprotein levels

Sébastien S. Hébert1 and Georges Lévesque1, 2

1Molecular and Human Genetics Unit, CHUQ-Pavillon St-François d'Assise, 10 rue

de l'Espinay, Québec, Canada G1L 3L5, 2 Medical Biology Department, Laval

University, Quebec, Canada, G1K 7P4.

Address correspondence to: Dr. Georges Lévesque, Molecular and Human Genetics

Unit, CHUQ-Pavillon St-François d'Assise, 10 rue de l' Espinay, Québec, Canada

G1L 3L5.

Tel: 418-525-4444 ext 3752

Fax: 418-525-4195

Email: [email protected]

Running title: BACE1 regulates PS1 holoprotein levels

Keywords: β-site APP cleaving enzyme (BACE), presenilin, amyloid, γ-secretase, β-

secretase, Alzheimer disease.

ABSTRACT

Both β- and γ- secretases cleave amyloid beta precursor protein (APP) to produce β-

amyloid peptides. In Alzheimer's disease brain, these peptides are deposited in

amyloid plaques and considered by many as the principal cause of dementia. The

identity of β-secretase has been shown to be the transmembrane aspartic protease,

beta-site APP cleaving enzyme 1 (BACE1). Presenilin-1 (PS1), a polytopic multi-

transmembrane protein, appears to constitute the catalytic component of γ-secretase.

We have recently demonstrated an interaction between BACE1 and wild-type PS-1

thus suggesting a direct, intimate collaboration in β-amyloid peptide production. We

now report that immature BACE1 preferentially interacts with full-length

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(holoprotein) PS1 at an endogenous level. Various AD and non-AD associated PS1

mutations do not abrogate binding with BACE1. Preliminary data suggest that

immature BACE1 protein levels regulate PS1 endoproteolysis. In conclusion, our

results suggest that BACE1 binding to PS1 may lead to altered β-amyloid production

(by reciprocal co-modulation of β- and γ-secretases).

INTRODUCTION

The main pathological hallmark of Alzheimer’s disease (AD) is the presence of

amyloid plaques in the brain. These plaques are mainly composed of short N- and C-

terminally truncated peptides derived from the amyloid beta precursor protein (APP),

a type 1 transmembrane protein with uncertain function (Van Gassen and Annaert

2003). Aβ42, a 42 amino-acid-long cleavage product of APP, is the principle peptide

found in plaques. Aβ42 is “carved” from APP by two coordinated cuts by β- and γ-

secretases (Selkoe 2001). β-secretase has shown to be the type 1 transmembrane

aspartic proteases, named beta-site APP cleaving enzyme 1 (BACE1, also known as

Asp-2 or memapsin 1) (Vassar, Bennett et al. 1999; Vassar 2002). APP cleavage by

BACE1 generates a membrane-tethered 99 amino-acid NH2-terminal fragment

(namely C99). Either subsequently or mutually, C99 is cleaved by γ-secretase within

its transmembrane domain to generate multiple-length (Aβ38, Aβ39, Aβ40, Aβ42,

Aβ43 and Aβ49) peptides (Tekirian 2001). The most abundant species found in vivo

are Aβ40 and Aβ42, Aβ42 being the more amyloidogenic form (Ling, Morgan et al.

2003). Whether this process is a normal, physiological task is not clear. Until now,

only sialyltransferase ST6Gal I, Phospholipid Scramblase I are other known BACE1

partners (Kitazume, Tachida et al. 2001; Kametaka, Shibata et al. 2003). γ-Secretase

activity, on the other hand, is related to a matured, multi-protein complex containing

presenilin-1 (PS1), Nicastrin, Aph-1 and Pen-2 (De Strooper 2003). Also, γ-secretase

action is not restricted to APP, as multiple substrates, such as Notch, Erb-B4,

Syndecan, CD44, E-Cadherin and Ire-1, are cleaved by this unusual “enzyme” (De

Strooper 2003). This proteolytic mechanism (i.e. transmembrane cleavage) is highly

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related to the intramembrane-cleaving proteases’ (I-CLIPs) family, including, SPP,

SP2 and Rhomboid (Xia and Wolfe 2003).

BACE1 is expressed as a 501 amino-acid protein and undergoes multiple post-

translational modifications, including pro-peptide cleavage, phosphorylation,

disulphide bridge formation, palmitoylation and complex N-glycosylation (Dingwall

2001; Vassar 2001). These modifications occur throughout the secretory pathway and

have differential effects on BACE1 maturation. The mature enzyme starts at position

Glu46 and presents complex (Endo-H resistant) N-glycosylation (Bennett, Denis et al.

2000). Ultimately, BACE1 is found in the early endosomal compartment and on the

cell surface. Until now, no genetic linkage, pathogenic mutations or allelic

associations between BACE1 and familial or sporadic AD cases have been reported

(Cruts, Dermaut et al. 2001; Nicolaou, Song et al. 2001). However, three independent

groups have recently observed higher BACE1 protein levels and activity in sporadic

AD cases (Fukumoto, Cheung et al. 2002; Holsinger, McLean et al. 2002; Tyler,

Dawbarn et al. 2002). Interestingly, BACE1 overexpression in cells does increase

C99 and Aβ42 secretion, thus suggesting that β-secretase is the limiting factor in

Aβ42 generation. Inversely, ablation of the gene encoding BACE1 completely

impairs β-secretase cleavage of APP and abolishes the generation of Aβ (Vassar,

Bennett et al. 1999; Roberds, Anderson et al. 2001).

PS1, a polytopic multi-transmembrane protein, is expressed as an approximately 45

kDa protein and undergoes rapid endoproteolysis within its principal cytoplasmic loop

(located between transmembrane domains 6 and 7) to generate N-terminal and C-

terminal fragments of approximately 28 kDa and 18 kDa in size, respectively (Tandon

and Fraser 2002). Fragment levels are highly regulated in vivo so that overexpression

of PS1 barely increases observed fragment levels, and instead leads to an

accumulation of full-length (holoprotein) protein levels. This phenomenon is not

clearly understood, but seems to be regulated in part by Pen-2 and/or Aph-1 (Lee,

Shah et al. 2002; Gu, Chen et al. 2003; Luo, Wang et al. 2003). Interestingly, PS1 N-

and C-terminal fragments (NTF and CTF, respectively) are considered by many as the

catalytic derivative of PS1 and active component of the γ-secretase complex (Wolfe

2003). Mutations of PS1 lead to the most aggressive forms of early-onset familial AD

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(Selkoe 2001). All PS1 mutations – more than one hundred have been reported –, are

linked with increased γ-secretase activity as observed indirectly by measuring Aβ42

secretion levels. Wild-type PS1 overexpression alone does not increase Aβ42

production. However, mutant presenilins do increase Aβ42 production without

increasing NTF and CTF fragment levels, thus implying a “gain of function” or

“modifying” effect (Citron, Westaway et al. 1997).

Aβ42 production plausibly involves co-regulation of both β- and γ-secretases. We

have recently demonstrated a direct interaction between ectopically expressed BACE1

and wild-type (wt) PS1 in yeast and mammalian cells (Hébert, Bourdages et al. 2003).

We now demonstrate that immature BACE1 preferentially interacts with full-length

(holoprotein) PS1 at an endogenous level. This binding is neither abrogated nor

accentuated by various AD-associated (H115Y, L392V) mutants, dominant negative

(D257A, D385A) γ-secretase mutants or the polymorphic (E318G) PS1 mutant. Our

preliminary data suggest that immature BACE1 protein levels regulate PS1

endoproteolysis. This downregulation effect on PS1 was abolished with the D257A

and D385A dominant negative mutants in PS1 -/- fibroblast cells. These results

suggest that BACE1 binding to PS1 may lead to altered PS1 metabolism and,

possibly, altered β-amyloid production.

EXPERIMENTAL PROCEDURES

1) Cell culture and transfection.

Human embryonic kidney 293T (HEK293T), murine neuroblastoma 2A (N2A), PS1

wild-type (+/+) and PS1 knockout (-/-) fibroblast cells were cultured in Dulbecco's

modified Eagle's medium (DMEM, Gibco) supplemented with 10% (v/v) fetal bovine

serum (Biomedia) and Geneticin ® antibiotics (Invitrogen). Stock cultures were

maintained at 37 °C in a humidified atmosphere consisting of 5% CO2, 95% air.

HEK293T and PS1 -/- cells were transiently transfected using Lipofectamine reagent

(Invitrogen) with cDNAs corresponding to full length human BACE1, human PS1 and

human HES-1. The empty pcDNA3 vector (Invitrogen) was used as control (mock).

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2) Preparation of cell lysates, immunoprecipitation and immunoblotting.

Native and transfected cells were rinsed twice with ice-cold phosphate buffer saline

(PBS) then lysed for 30 min on ice in cell lysis buffer [25 mM HEPES, 150 mM

NaCl, 1% Triton X-100, 2 mM EDTA, 1 mM PMSF and mini-complete protease

inhibitors (Roche-Diagnostic)]. Insoluble material was removed by centrifugation at

13,000 X g for 15 min at 4°C. Proteins were quantified using a standard Bradford

assay (Pierce). One mg of total protein was subjected to overnight

immunoprecipitation at 4°C with appropriate antibodies. Protein G-plus Agarose

(VWR-Canlab) was subsequently added to the antibody-antigen complex and

incubated for 2 h at 4°C. The beads were washed four times with washing buffer

(0,2% Nonidet P-40, 50 mM Tris-HCl (pH 7,6), 150 mM NaCl, and 2 mM EDTA).

Equal amounts of immunoprecipitated proteins were mixed with Novex ® 2X

reducing sample buffer (0.5 M Tris-HCl pH 6.8, glycerol 20%, SDS 10%,

bromophenol blue 0.1% and 5% β-mercaptoethanol), boiled for 3 min, then subjected

to SDS-PAGE. Equal amounts of crude protein lysates (50 µg) were fractionated as

above, however, PS1 samples were kept at 37°C for 5 min before loading onto the

gel. After migration, proteins were transferred onto PVDF membranes (Amersham)

according to the manufacturer protocol. Western blots were probed with anti-PS1

antibodies, either Ab-14 (gift from Dr P. Fraser), N-19 (Oncogene) or PSN2 (gift

from Dr H. Mori), and BACE1 specific antibodies, either Ab-1 (a.a. 45-60)

(Oncogene), BACE C-terminal (a.a. 485-501) (Oncogene) or anti-V5 (Sigma) (in the

case of BACE1-V5), and anti-HA (in the case of HES-1-HA). Blots were revealed

using chemiluminescence detection system, ECL+ (Amersham).

3) Yeast two-hybrid assays.

cDNA sequences encoding various parts of human PS1 were amplified by PCR using

the Herculase Taq polymerase (Stratagene). The following wt PS1 cDNAs were

prepared: NTF (PS11-291), Loop 6-7 (PS1239-409) and CTF (PS1292-467). Wild-type PS1

and BACE1(1-501) (gift from Dr. Christian Haass) cDNAs were cloned both into

pGBKT7 and pGADT7 vectors (Clontech) as a fusion to the Gal4-DNA binding

domain (BD) and Gal4-DNA activating domain (AD), respectively. Each construct

was sequenced and shown to be free of autonomous Gal-4 activation. Functional

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expression of fusion proteins in yeast was confirmed by Western blot. Each of the

pGBKT7-construcst (pGBKT7-PS1 NTF, pGBKT7-CTF or pGBKT7-Loop 6-7) were

co-transformed into AH109 Saccharomyces cerevisiae (Clontech) together with each

pGADT7-constructs (pGADT7-BACE1, pGADT7-Lamin or pGADT7-hNPRAP).

Transformants were selected on yeast drop-out media (Clontech) that lacked both

tryptophan and leucine (TL-) (not shown) and assayed for histidine (His +) and

adenine (Ade +) reporter activation. Positive control included pGBKT7-PS1 Loop 6-

7/pGADT7-hNPRAP and pGBKT7-p53/pGADT7-T antigen (not shown).

4) Production of recombinant proteins and in vitro GST-binding assay.

cDNA encoding human BACE1 was subcloned into pGEX4T-1 (Pharmacia) and

transformed into E.coli BL21 strain. BACE1-GST fusion protein was induced 6 h

with 1 mM IPTG and released by sonication in PBS-1% Triton X-100. Bacterial

protein extracts were incubated with 50µl of GST 4B sepharose either in suspension

or in a mini-column (Pharmacia) for 1h at 4°C with continuous rocking. After

washing with PBS, 1 mg of protein extracted from PS1 wt, PS1 L392V and PS1

D257A-transfected HEK293T cells were added to BACE1-GST fusion protein linked

to GST 4B sepharose and the mixture was incubated for 2h at 4°C with continuous

rocking. Samples were washed four times with GST washing buffer (20 mM TRIS,

pH 8.0, 100 mM NaCl, 0.5 % NP-40, 0.5 mM EDTA), eluted with 50 µl of GST

elution buffer (Pharmacia) and mixed with 50 µl of 2X SDS-PAGE sample buffer

(0.5 M Tris-HCl, pH 6.8, glycerol 20%, SDS 10%, DTT 1 mM, bromophenol blue

0.1%). Samples were incubated at 100°C for 3 min and subjected to SDS-PAGE as

described above. Western blots were probed with anti-PSN2 (PS1).

5) Endoglycosidase H digestions.

50 µg of crude HEK293T cell protein extracts were treated with 0.5 units/ml of

ENDO H (Sigma) as specified by manufactures’ protocol. Controls were treated with

H2O. After overnight incubation at 37°C, protein samples were mixed with Novex ®

2X reducing sample buffer (0.5 M Tris-HCl pH 6.8, glycerol 20%, SDS 10%,

bromophenol blue 0.1% and 5% β-mercaptoethanol), boiled for 3 min, then subjected

to SDS-PAGE. After migration, proteins were transferred onto PVDF membranes

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100

(Amersham) according to the manufacturer protocol. Western blots were probed with

the anti-BACE1 Ab-1 antibody. Blots were revealed using chemiluminescence

detection system, ECL+ (Amersham).

RESULTS AND DISCUSSION

Immature BACE1 binds full-length (holoprotein) PS1 at an endogenous level.

We have reported previously (Hébert, Bourdages et al. 2003) that in cells

overexpressing both wild-type presenilin-1 (PS1) and BACE1, each protein can be

reciprocally co-immunoprecipitated. To discern whether endogenous PS1 interacts

directly with BACE1, reciprocal co-immunoprecipitation studies were performed in

native HEK293T cells. Immunoprecipitation with pre-immune serum (PIS) failed to

bring down PS1 or BACE1 (Fig. 1Aa, lane 1). Curiously, Ab-14 antibody, which

preferentially recognizes PS1 N-terminal fragments (Fig. 1Aa, lane 3 and (Yu, Chen

et al. 1998)), do not immunoprecipitate BACE1. Additionally, PS1 C-terminal

antibody α-loop (Yu, Chen et al. 1998), which preferentially recognise ~18 kDa C-

terminal fragments, did not pull down BACE1 (data not shown). Only after extensive

film overexposure did we observe N-terminal fragments bound to BACE1 (which

were stoichiometry much less than in lane 2 [i.e. PS1 full-length vs. NTF ratio]) (not

shown). However, immunoprecipitation using N-19 antibody, which recognizes PS1

holoprotein at an endogenous level (Hébert, Godin et al. 2003), conjointly pull down

full-length PS1 (Fig 1Aa, lane 2, upper panel) and immature BACE1 (Fig 1Aa, lane 2,

middle panel). Inversely, BACE C-terminal antibodies, but not PIS, did bring down

endogenous full-length PS1 when probed with N-19 (Fig 1Ab, lane 2). Of particular

importance, co-immunoprecipitation of partners at an endogenous level could not be

observed in Triton X-100 extraction buffer (data not shown) (only in 0.5-1%

CHAPS).

These results led us to consider that immature BACE1 may preferably bind to full-

length PS1. To confirm this hypothesis, crude fine mapping of BACE1-PS1 binding

was assessed by yeast-two hybrid. We have previously demonstrated direct binding

between full-length PS1 and BACE1 by two-hybrid (Hébert, Bourdages et al. 2003).

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101

As shown in Fig 1B, PS1 loop 6-7, which contains the “intact” PS1 endoproteolytic

cleavage site, preferentially binds DNA-BD-BACE1 fusion protein. Western blot

analysis of yeast protein extracts expressing DNA-BD-BACE1 confirmed the

“immature” state (i.e. zymogen) of BACE1 in yeast (Hébert S.S., personal

observation). Taken together, these results suggest that the non-cleaved PS1 species

(i.e. the ‘intact’ holoprotein) preferentially binds immature BACE1 at an endogenous

level.

PS1 γ-secretase mutants bind BACE1.

All PS1 AD-associated mutations elevate γ-secretase activity measured indirectly by

enhanced Aβ42 secretion (Borchelt, Thinakaran et al. 1996; Qian, Jiang et al. 1998).

Since β-secretase cleavage is a prerequisite step in Aβ42 generation, it is tempting to

speculate that PS1 mutants also regulate β-secretase activity. Interestingly, two recent

papers have reported γ-secretase-dependent modulation of BACE1 activity (Fluhrer,

Multhaup et al. 2003; Shi, Tugusheva et al. 2003). How PS1 influences BACE1

activity is actually not known. We tested if various PS1 mutations, as compared to

wild-type PS1, could modulate BACE1 binding. First, we tested if exogenously

expressed PS1 variants could bind GST-tagged BACE1. As shown in figure 2A,

upper panel, full-length PS1 wild-type, AD-associated L392V and D257A γ-secretase

dead mutants bound GST-BACE1. Western blot analysis of crude protein extracts

confirmed PS1 expression (Fig 2A, middle panel). Correct GST-BACE1 fusion

protein expression and purification is visualized by Coomassie blue staining (Fig 2A,

lower panel) of “bait” protein extracts. The ~75 kDa molecular mass of GST-BACE1

corresponds to the calculated molecular mass of the non-modified (non-glycolysated)

~50 kDa BACE1 molecule tagged in fusion to the ~25 kDa GST protein.

These initial experiments prompted us to confirm our observations in mammalian

cells. For this, we used HEK293T cells exogenously expressing both non-tagged PS1

and BACE1-V5. Western blot analysis of anti-V5 immunoprecipitates confirmed

specific BACE1-V5 immunoprecipitations (Fig. 2B, upper panel). In parallel, anti-V5

immunoprecipitations could immonoprecipitate PS1 AD-associated L392V, H115Y

and ∆EX10 mutants (middle panel, lanes 3-5), as well as D257A and D385A γ-

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102

secretase negative mutants (middle panel, lanes 6 and 7). Furthermore, the PS1 AD

polymorphic E318G mutant (Aldudo, Bullido et al. 1998) also binds BACE1-V5 (Fig.

2B, upper panel, lane 8). Protein expression levels for BACE1-V5 in crude cell

lysates were verified by Western blot (data not shown), as well as for PS1 (Fig. 2B,

lower panel, lanes 1-8). Similar co-immunoprecipitation results were observed in

mouse neuroblastoma N2A cells (data not shown). Cumulatively, these results

suggest that BACE1-PS1 binding is independent of γ-secretase-related mutations, and

that all PS1 mutants tested herein can equally bind to immature BACE1.

Immature BACE1 regulates PS1 holoprotein levels.

PS1 mutations account for the majority of early-onset familial AD cases. Whether

PS1 mutations affect fragment protein levels is still a matter of debate (Thinakaran,

Borchelt et al. 1996; Lee, Borchelt et al. 1997; Okochi, Ishii et al. 1997). However,

three independent studies have reported increased BACE1 levels in sporadic AD

cases. Hence, it is possible that deregulation of BACE1 and/or PS1 protein levels is a

prerequisite and/or necessary step in AD development. To further characterize

BACE1-PS1 interaction, we tested if these partners could influence each other’s

expression and/or maturation. First, we tested if BACE1 maturation was affected in

PS1 knock-out (PS1 -/-) fibroblast cells. These γ-secretase deficient cells are known

to dramatically down-regulate and inhibit γ-secretase complex formation (reviewed in

(De Strooper 2003)). As shown in figure 3A, lane 4, upper panel, BACE1 maturation

and protein levels were not substantially affected in PS1 -/- cells. Semi-quantitative

RT-PCR of endogenous mouse BACE1 transcripts in PS1 -/- cells, as compared to

PS1 +/+ and N2A cells, were also not affected (not shown). Western blot confirmed

absence of endogenous PS1 in kock-out cells (Fig 3A, lower panel).

To confirm that BACE1 maturation was independent of PS1 (and γ-secretese

activity), we measured both immature and mature BACE1 proteins levels in

HEK293T cells co-transfected with BACE1 and the PS1 γ-secretase dominant

negative mutant D385A. As shown in Fig 3B, lane 3, the D385A mutant did not

substantially affect BACE1 expression and maturation (as observed by comparing the

immature vs. mature protein levels ratio). This observation could be more easily

visualised after ENDO H treatment of cell extracts (Fig 3B, lanes 4-6), which

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103

generates a lower BACE1 immature species by releasing non-complex sugars (Capell,

Steiner et al. 2000). In summary, these results suggest that BACE1 post-translational

modifications (i.e. maturation) are independent of PS1 protein levels and γ-secretase

activity.

We next verified if increased BACE1 protein levels could influence PS1 maturation

and/or protein levels in HEK293T cells. Surprisingly, when BACE1 is co-expressed

with PS1, the latter is drastically down-regulated (Fig 3C, lane 2). This down-

regulation was specific for PS1 holoprotein, as NTF levels (and CTF, data not shown)

weren’t significantly altered (Fig 3D, lanes 3-6). These observations were

reproducible in N2A cells (data not shown).

BACE1 expression levels have previously been associated with “differential” β-

secretase activity. Indeed, high BACE1 expression levels favour C89 over C99-like

APP cleavage (Liu, Doms et al. 2002). In order to verify if the effect on PS1 was an

artefact due to high BACE1 expression levels, we conducted a BACE1 dose-

dependent kinetic experiment. As shown in figure 3D, middle panel, PS1 holoprotein

down-regulation was dependent on BACE1 expression levels. This result was

specific for BACE1, as an ectopically co-expressed control protein, HES-1 (Fig 3D,

lower panel), full-length wild-type AβPP (data not shown), or empty vector (data not

shown) did not significantly affect PS1 protein levels. Surprisingly, mature BACE1

protein levels saturate while immature species accumulate in a dose-dependent

manner (Fig 3D, upper panel).

To further confirm if BACE immature species could regulate PS1 holoprotein levels,

we generated a pro-domain deletion mutant (artificial “mature” version) of BACE1

(∆pro-BACE) tagged at its N-terminal region with an HA epitope. This construct has

perturbed maturation properties as assessed by Western blot (as observed by

deficiency of “immature” [i.e. zymogene] Endo-H-sensitive BACE1, Hébert S.S.,

personal observation and [(Benjannet, Elagoz et al. 2001)]) and cellular trafficking.

In corroboration with our previous observations, ∆pro-BACE has attenuated effect on

PS1 holoprotein down-regulation (Fig 3E, lane 3). Cumulatively, these results

suggest that BACE1 immature species regulate PS1 holoprotein metabolism.

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104

BACE1 may regulate PS1 endoproteolysis.

We next tested if the AD-associated PS1 L392V and ∆EX10 mutants were also

susceptible to BACE1-dependent down-regulation. As shown earlier, both of these

mutants can bind BACE1. As shown in figure 4A, lane 4, and Fig 5, PS1 L392V was

equally down-regulated (when compared to wild-type PS1) when co-expressed with

BACE1 in HEK293T cells. Curiously, the EX10 mutant seemed significantly less

affected by BACE1 co-expression (Fig 4A, lane 6, and Fig 5). Again, similar results

were observed in N2A cells (data not shown). These results suggest that PS1 AD-

associated mutants are, a priori, similarly prone to BACE1-dependent down-

regulation. However, it seems that the EX10 ∆mutant, who lacks the PS1

endoproteolytic site, is slightly less prone to BACE1-dependent down-regulation in

HEK293T cells.

Although other cellular mechanisms have been shown to regulate PS1 holoprotein

levels (e.g. caspases, proteasome), probably the most biologically relevant to PS1

metabolism is its endoproteolysis. To further explore if BACE1 could directly

influence PS1 endoproteolysis, we tested if the γ-secretase dominant negative PS1

D385A mutant was also subject to BACE1-dependent down-regulation. The PS1

artificial D385A aspartate mutation was previously shown to inhibit PS1

endoproteolysis (Wolfe, Xia et al. 1999; Berezovska, Jack et al. 2000) in vivo.

Surprisingly, PS1 D385A was less prone to BACE1 down-regulation. Indeed, only

55% of PS1 D385A protein levels, as compared to 85% of PS1 wild-type and L392V

protein levels were affected by BACE1 overexpression in HEK293T cells (Fig. 4B

and C). These experiments, which were repeated four times, suggest that BACE1

regulates PS1 endoproteolysis.

To date, PS1 endoproteolysis was shown to be in part regulated by γ-secretase activity

(Beher, Wrigley et al. 2001; Campbell, Iskandar et al. 2002). However, significant

PS1 endoproteolysis is observed in PS1-transfected γ-secretase deficient PS1 -/- cells

(Fig. 4D, lanes 1 and 2) and insect cells (Pitsi, Kienlen-Campard et al. 2002). This

led us to consider that possibly other mechanism(s) may control PS1 endoproteolysis

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in vivo. To further explore this possibility, we used PS1 -/- cells to avoid any

“residual” γ-secretase activity implicated in PS1 endoproteolysis. Since BACE1

proteins levels aren’t affected in PS1 -/- cells (Fig. 3A), this “residual” PS1

endoproteolysis may be dependent of endogenous BACE1. To further explore this

possibility, we overexpressed PS1 and BACE1 in our PS1 -/- cells. As expected, co-

expression of BACE and PS1 in PS1 -/- cells had similar effects on PS1 wt and

L392V holoprotein levels (Fig 4 D, lanes 6 and 7, and Fig 4E), leaving trace amounts

of PS1 holoprotein. Lack of PS1 fragment accumulation can be attributed to absence

of “mature” γ-secretase partners in PS1 -/- cells (De Strooper 2003; Takasugi, Tomita

et al. 2003). Surprisingly, the ∆EX10 PS1 mutant, which lacks the endoproteolytic

cleavage site, is much less prone to BACE1-dependent down-regulation, as compared

to HEK293T cells. Predictably, no endoproteolysis of γ-secretase dead PS1 D257A

and D385A mutants is observed in PS1 -/- cells when co-expressed with BACE1 (Fig

4D, lanes 9 and 10, and Fig 4E). Last, we tested if exogenous γ-secretase inhibitors

could block BACE1-dependent PS1 down-regulation. As sown in Figure 5A, lane 3,

the potent γ-secretase inhibitor DAPT, did not attenuate PS1 holoprotein down-

regulation when co-expressed with BACE1. Cumulatively, these results suggest that

BACE1 regulates PS1 endoproteolysis independently of γ-secretase activity.

Furthermore, BACE1-dependent PS1 down-regulation seems to some extent

dependent of its endoproteolytic region (amino acids 292-298).

PS1 down-regulation is to a certain extent independent of the proteasome.

As mentioned above, the proteasome is additionally implicated in PS1 holoprotein

endoproteolysis (Honda, Yasutake et al. 1999; Van Gassen, De Jonghe et al. 1999).

As previously reported, treating cells with ALLN, a well-known proteasome inhibitor,

did accentuate endogenous PS1 holoprotein levels (Fig 5B, lane 2) in HEK293T cells.

As expected, ALLN treatment only partially inhibited (approximately 45%) BACE1-

dependent PS1 holoprotein down-regulation, as observed with endogenous (Fig 5B,

lane 3) and overexpressed PS1 (Fig 5B, lane7). Again, no substantial increase in PS1

fragment levels was observed when expressed with BACE1 (Fig 5B, lower panel). In

summary, these results suggest that, at least to a certain extent, BACE1-dependent

PS1-downregulation is independent of proteasome activity in vivo.

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106

After more than 20 years in biomedical and biochemical research, we are now starting

to understand the complex neuro-pathological mechanisms leading to Alzheimer’s

disease. With the “amyloid cascade hypothesis” gaining popularity, modern genetic

techniques have led to the identification of multiple genes implicated in amyloid

metabolism. First, identification of presenilin (PS1 and PS2) genes, and subsequently

Nicastrin, Aph-1 (Aph1a and Aph1b) and Pen-2 genes, has led to an initial

characterization of γ-secretase (De Strooper 2003). Second, BACE1 [and its

homologue BACE2 (Farzan, Schnitzler et al. 2000)] has recently been cloned and

linked to β-secretase. Major efforts are presently deployed to understand β- and γ-

secretase activities in a biological context, even more so since the recent development

of drug-based therapies (Fassbender, Masters et al. 2001; De Strooper and Woodgett

2003; Lahiri, Farlow et al. 2003). Although data concerning the enzymatic properties

of β- and γ-secretases are accumulating, less is known about the proteins’ biochemical

properties in vivo.

We have previously reported that both ectopically expressed human BACE1 and PS1

directly associate. In this study, we confirm BACE1-PS1 binding at an endogenous

level in human HEK293T cells. Most importantly, we validate our previous findings

by demonstrating preferential binding between immature BACE1 and holoprotein

PS1 (most likely in the ER/early Golgi compartments (personal observation by

immuno-localisation, Hébert, S.S.) and (Annaert and De Strooper 1999; Huse and

Doms 2000). Our initial characterization of BACE1-PS1 binding led us to

demonstrate that various PS1 point-mutations do not significantly abrogate nor

accentuate binding with BACE1. Hence, PS1 AD- and non-AD associated mutants

are capable of binding BACE1, thus conserving their basic fundamental function(s).

Nonetheless, fine-mapping of BACE1-PS1 binding is underway in our laboratory.

The results above indicate that immature BACE1 is tightly associated with

“immature” holoprotein PS1. Accumulating data tend to demonstrate that maturation

of the γ-secretase complex is strictly regulated by PS1. Therefore, it is possible to

imagine that PS1 also regulates β-secretase (BACE1) maturation. We addressed this

possibility by first evaluating BACE1 protein levels in PS1 K/O cells. We show that

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BACE1 protein levels weren’t substantially affected in PS1 K/O cells. Moreover,

BACE1 overexpression in PS1 -/- cells, as compared to PS1 +/+ cells, did not lead to

abrogated maturation (i.e. immature vs. mature levels ratio) (data not shown). Also,

no effect of γ-secretase dead PS1 D385A on BACE1 maturation, as assessed by

Western blotting (Fig 3B) and immuno-localisation of BACE1 (not shown), further

suggest that BACE1 maturation is not dependent of PS1 protein levels and γ-secretase

activity. It would be interesting to evaluate BACE1 maturation in PS1/PS2 double

knock-out cells, to avoid misleading conclusions based on possible PS2

complementation in PS1 K/O cells.

Accentuated BACE1 expression levels have recently been observed in sporadic AD

cases. To further explore the BACE1-PS1 relationship, we tested if BACE1

expressions levels could influence PS1 metabolism. Surprisingly, BACE1

overexpression led to a dramatic down-regulation of PS1 holoprotein levels without

significantly affecting endoproteolytic fragment levels (Fig 3D, lanes 3-6). This

phenomenon correlates with immature BACE1 expression levels (shown to

specifically bind PS1 holoprotein, this paper). Curiously, mature BACE1 levels

saturate when overexpressed, thus suggesting a “tightly regulated effect”, as seen with

overexpressed PS1 and Nicastrin (Arawaka, Hasegawa et al. 2002; Yang, Tandon et

al. 2002). However, when compared to BACE1 endogenous levels, mature BACE1

(and immature) species are significantly higher (data not shown), possibly implicating

different/less stringent limiting cellular factors. Also, endogenous BACE1 levels are

not submitted to the “replacement phenomenon” as seen with PS1 and Nicastrin (data

not shown). Nevertheless, further efforts are needed to better understand BACE1

maturation regulation.

Although PS1 holoprotein endoproteolysis and fragment generation is a normal,

physiological process, we are still lacking comprehensive knowledge about PS1

maturation regulation. Only recently after the discovery of the “minimal” constituents

of the γ-secretase complex (i.e. Nicastrin, APH-1 and PEN-2), are we starting to

understand the metabolism of PS1 and generation of PS1 NTF and CTF fragments.

However, both PS1 holoprotein and fragments protein levels are separately regulated

in vivo (Ratovitski, Slunt et al. 1997; Zhang, Kang et al. 1998), and accumulation of

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PS1 fragments levels in vivo require fully functional “mature” γ-secretase

components (Kim, Ikeuchi et al. 2003; Takasugi, Tomita et al. 2003).

To our surprise, BACE1-dependent down-regulation of PS1 holoprotein species was

completely inhibited by the PS1 D257A and D385A mutations, and partially inhibited

by ∆EX10, in PS1 -/- cells. Since PS1 aspartate mutations are less prone to

endoproteolysis, and PS1 ∆EX10 mutant has no endoproteolytic cleavage site, this led

us to consider that BACE1 could regulate PS1 endoproteolysis. To date, PS1

endoproteolysis was shown to be mostly regulated by γ-secretase or proteaseome-

related activities. However, the results presented in this paper suggest that BACE1-

dependent PS1 holoprotein down-regulation seems independent of these two latter

activities. Recent data demonstrate that “presenilinase” is actually an aspartyl

protease pharmacologically distinct from γ-secretase (Campbell, Reed et al. 2003) and

calpain (proteasome) activities. It is tempting to speculate that the aspartyl protease

BACE1 may itself be, or at least up-regulate, the long sought “presenilinase”. In

corroboration with this hypothesis, recent data from in vitro studies have

demonstrated direct BACE1 “presenilinase” activity toward an artificial PS1

“endoproteolytic site” octapeptide. Furthermore, we have preliminary data suggesting

that Aph-1a (but not Nicastrin), which also binds to (and stabilizes) PS1 holoproteins

(LaVoie, Fraering et al. 2003), partially inhibits BACE1-dependent down-regulation

possibly acting as a “substrate” competitor (not shown).

In summary, the results presented in this report provide first evidence suggesting a

physiological role for the BACE-PS1 interaction. These results may explain how

increased BACE1 proteins levels, as observed in sporadic AD, could lead to higher β-

and possibly γ-secretase (by regulating PS1 holoprotein levels, and presumably

increasing endoproteolytic “active” fragments) activities in vivo, thus gradually

accentuating Aβ peptide generation. Of course, further work is needed to better

understand the relationship between BACE1, PS1 and presumably the other

components of the γ-secretase complex, and this, in a more physiological context.

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ACKNOWLEDGMENTS:

This work was supported by grants from Canadian Institutes of Health Research

(IRSC), Fonds de la Recherche en Santé du Québec (FRSQ) and Alzheimer Society of

Canada.

REFERENCES

Aldudo, J., M. J. Bullido, et al. (1998). "Missense mutation E318G of the presenilin-1 gene appears to be a nonpathogenic polymorphism." Ann Neurol 44(6): 985-6.

Annaert, W. and B. De Strooper (1999). "Presenilins: molecular switches between proteolysis and signal transduction." Trends Neurosci 22(10): 439-43.

Annaert, W. G., C. Esselens, et al. (2001). "Interaction with telencephalin and the amyloid precursor protein predicts a ring structure for presenilins." Neuron 32(4): 579-89.

Arawaka, S., H. Hasegawa, et al. (2002). "The levels of mature glycosylated nicastrin are regulated and correlate with gamma-secretase processing of amyloid beta-precursor protein." J Neurochem 83(5): 1065-71.

Armogida, M., A. Petit, et al. (2001). "Endogenous beta-amyloid production in presenilin-deficient embryonic mouse fibroblasts." Nat Cell Biol 3(11): 1030-3.

Beher, D., J. D. Wrigley, et al. (2001). "Pharmacological knock-down of the presenilin 1 heterodimer by a novel gamma -secretase inhibitor: implications for presenilin biology." J Biol Chem 276(48): 45394-402.

Beher, D., J. D. Wrigley, et al. (2002). "Generation of C-terminally truncated amyloid-beta peptides is dependent on gamma-secretase activity." J Neurochem 82(3): 563-75.

Benjannet, S., A. Elagoz, et al. (2001). "Post-translational processing of beta-secretase (beta-amyloid- converting enzyme) and its ectodomain shedding. The pro- and transmembrane/cytosolic domains affect its cellular activity and amyloid-beta production." J Biol Chem 276(14): 10879-87.

Bennett, B. D., P. Denis, et al. (2000). "A furin-like convertase mediates propeptide cleavage of BACE, the Alzheimer's beta -secretase." J Biol Chem 275(48): 37712-7.

Berchtold, N. C. and C. W. Cotman (1998). "Evolution in the conceptualization of dementia and Alzheimer's disease: Greco-Roman period to the 1960s." Neurobiol Aging 19(3): 173-89.

Berezovska, O., C. Jack, et al. (2000). "Aspartate mutations in presenilin and gamma-secretase inhibitors both impair notch1 proteolysis and nuclear translocation with relative preservation of notch1 signaling." J Neurochem 75(2): 583-93.

Borchelt, D. R., G. Thinakaran, et al. (1996). "Familial Alzheimer's disease-linked presenilin 1 variants elevate Abeta1-42/1-40 ratio in vitro and in vivo." Neuron 17(5): 1005-13.

Page 123: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

110

Campbell, W. A., M. K. Iskandar, et al. (2002). "Endoproteolysis of presenilin in vitro: inhibition by gamma-secretase inhibitors." Biochemistry 41(10): 3372-9.

Campbell, W. A., M. L. Reed, et al. (2003). "Presenilin endoproteolysis mediated by an aspartyl protease activity pharmacologically distinct from gamma-secretase." J Neurochem 85(6): 1563-74.

Capell, A., J. Grunberg, et al. (1998). "The proteolytic fragments of the Alzheimer's disease-associated presenilin-1 form heterodimers and occur as a 100-150-kDa molecular mass complex." J Biol Chem 273(6): 3205-11.

Capell, A., H. Steiner, et al. (2000). "Maturation and pro-peptide cleavage of beta-secretase." J Biol Chem 275(40): 30849-54.

Chen, F., G. Yu, et al. (2001). "Nicastrin binds to membrane-tethered Notch." Nat Cell Biol 3(8): 751-4.

Citron, M., C. B. Eckman, et al. (1998). "Additive effects of PS1 and APP mutations on secretion of the 42- residue amyloid beta-protein." Neurobiol Dis 5(2): 107-16.

Citron, M., D. Westaway, et al. (1997). "Mutant presenilins of Alzheimer's disease increase production of 42- residue amyloid beta-protein in both transfected cells and transgenic mice." Nat Med 3(1): 67-72.

Cruts, M., B. Dermaut, et al. (2001). "Amyloid beta secretase gene (BACE) is neither mutated in nor associated with early-onset Alzheimer's disease." Neurosci Lett 313(1-2): 105-7.

Davis, J. A., S. Naruse, et al. (1998). "An Alzheimer's disease-linked PS1 variant rescues the developmental abnormalities of PS1-deficient embryos." Neuron 20(3): 603-9.

De Strooper, B. (2003). "Aph-1, Pen-2, and Nicastrin with Presenilin Generate an Active gamma- Secretase Complex." Neuron 38(1): 9-12.

De Strooper, B. and J. Woodgett (2003). "Alzheimer's disease: Mental plaque removal." Nature 423(6938): 392-3.

Dingwall, C. (2001). "Spotlight on BACE: the secretases as targets for treatment in Alzheimer disease." J Clin Invest 108(9): 1243-6.

Edbauer, D., E. Winkler, et al. (2003). "Reconstitution of gamma-secretase activity." Nat Cell Biol 5(5): 486-8.

Farzan, M., C. E. Schnitzler, et al. (2000). "BACE2, a beta -secretase homolog, cleaves at the beta site and within the amyloid-beta region of the amyloid-beta precursor protein." Proc Natl Acad Sci U S A 97(17): 9712-7.

Fassbender, K., C. Masters, et al. (2001). "Alzheimer's disease: molecular concepts and therapeutic targets." Naturwissenschaften 88(6): 261-7.

Fluhrer, R., G. Multhaup, et al. (2003). "Identification of a beta-secretase activity, which truncates amyloid beta-peptide after its presenilin-dependent generation." J Biol Chem 278(8): 5531-8.

Francis, R., G. McGrath, et al. (2002). "aph-1 and pen-2 are required for Notch pathway signaling, gamma- secretase cleavage of betaAPP, and presenilin protein accumulation." Dev Cell 3(1): 85-97.

Fukumoto, H., B. S. Cheung, et al. (2002). "Beta-secretase protein and activity are increased in the neocortex in Alzheimer disease." Arch Neurol 59(9): 1381-9.

Godin, C., Auclair, A., Ferland, M., Hébert, S.S., Carreau, M., Levesque, G. (2003). "Presenilin-1 is indirectly implicated in Notch1 cleavage." J. Neurochem. in press.

Page 124: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

111

Gouldson, P. R., C. Higgs, et al. (2000). "Dimerization and domain swapping in G-protein-coupled receptors: a computational study." Neuropsychopharmacology 23(4 Suppl): S60-77.

Gu, Y., F. Chen, et al. (2003). "APH-1 interacts with mature and immature forms of presenilins and nicastrin and may play a role in maturation of presenilin.nicastrin complexes." J Biol Chem 278(9): 7374-80.

Haass, C. and B. De Strooper (1999). "The presenilins in Alzheimer's disease--proteolysis holds the key." Science 286(5441): 916-9.

Haass, C. and H. Steiner (2002). "Alzheimer disease gamma-secretase: a complex story of GxGD-type presenilin proteases." Trends Cell Biol 12(12): 556-62.

Hardy, J., K. Duff, et al. (1998). "Genetic dissection of Alzheimer's disease and related dementias: amyloid and its relationship to tau." Nat Neurosci 1(5): 355-8.

Hattori, C., M. Asai, et al. (2002). "BACE1 interacts with nicastrin." Biochem Biophys Res Commun 293(4): 1228-32.

Hébert, S. S., V. Bourdages, et al. (2003). "Presenilin-1 interacts directly with the beta-site amyloid protein precursor cleaving enzyme (BACE1)." Neurobiol Dis 13(3): 238-45.

Hébert, S. S., C. Godin, et al. (2003). "Dimerization of presenilin-1 in vivo: suggestion of novel regulatory mechanisms leading to higher order complexes." Biochem Biophys Res Commun 301(1): 119-26.

Holsinger, R. M., C. A. McLean, et al. (2002). "Increased expression of the amyloid precursor beta-secretase in Alzheimer's disease." Ann Neurol 51(6): 783-6.

Honda, T., K. Yasutake, et al. (1999). "Dual roles of proteasome in the metabolism of presenilin 1." J Neurochem 72(1): 255-61.

Huse, J. T. and R. W. Doms (2000). "Closing in on the amyloid cascade: recent insights into the cell biology of Alzheimer's disease." Mol Neurobiol 22(1-3): 81-98.

Kaether, C., S. Lammich, et al. (2002). "Presenilin-1 affects trafficking and processing of betaAPP and is targeted in a complex with nicastrin to the plasma membrane." J Cell Biol 158(3): 551-61.

Kamal, A., A. Almenar-Queralt, et al. (2001). "Kinesin-mediated axonal transport of a membrane compartment containing beta-secretase and presenilin-1 requires APP." Nature 414(6864): 643-8.

Kametaka, S., M. Shibata, et al. (2003). "Identification of phospholipid scramblase 1 as a novel interacting molecule with beta -secretase (beta -site amyloid precursor protein (APP) cleaving enzyme (BACE))." J Biol Chem 278(17): 15239-45.

Kim, S. H., T. Ikeuchi, et al. (2003). "Regulated hyperaccumulation of presenilin-1 and the "gamma -secretase" complex: Evidence for differential intramembranous processing of transmembrane substrates." J Biol Chem.

Kim, S. S., Y. M. Choi, et al. (1997). "Lack of interactions between amyloid precursor protein and hydrophilic domains of presenilin 1 and 2 using the yeast two hybrid system." J Mol Neurosci 9(1): 49-54.

Kimberly, W. T., M. J. LaVoie, et al. (2003). "{gamma}-Secretase is a membrane protein complex comprised of presenilin, nicastrin, aph-1, and pen-2." Proc Natl Acad Sci U S A 100(11): 6382-6387.

Page 125: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

112

Kitazume, S., Y. Tachida, et al. (2001). "Alzheimer's beta-secretase, beta-site amyloid precursor protein- cleaving enzyme, is responsible for cleavage secretion of a Golgi- resident sialyltransferase." Proc Natl Acad Sci U S A 98(24): 13554-9.

Kovacs, D. M., R. Mancini, et al. (1999). "Staurosporine-induced activation of caspase-3 is potentiated by presenilin 1 familial Alzheimer's disease mutations in human neuroglioma cells." J Neurochem 73(6): 2278-85.

Lahiri, D. K., M. R. Farlow, et al. (2003). "A critical analysis of new molecular targets and strategies for drug developments in Alzheimer's disease." Curr Drug Targets 4(2): 97-112.

LaVoie, M. J., P. C. Fraering, et al. (2003). "Assembly of the gamma -secretase complex involves early formation of an intermediate sub-complex of Aph-1 and Nicastrin." J Biol Chem.

Lee, H. J., K. M. Jung, et al. (2002). "Presenilin-dependent gamma-secretase-like intramembrane cleavage of ErbB4." J Biol Chem 277(8): 6318-23.

Lee, M. K., D. R. Borchelt, et al. (1997). "Hyperaccumulation of FAD-linked presenilin 1 variants in vivo." Nat Med 3(7): 756-60.

Lee, S. F., S. Shah, et al. (2002). "Mammalian APH-1 interacts with presenilin and nicastrin and is required for intramembrane proteolysis of amyloid-beta precursor protein and Notch." J Biol Chem 277(47): 45013-9.

Leem, J. Y., C. A. Saura, et al. (2002). "A role for presenilin 1 in regulating the delivery of amyloid precursor protein to the cell surface." Neurobiol Dis 11(1): 64-82.

Leem, J. Y., S. Vijayan, et al. (2002). "Presenilin 1 is required for maturation and cell surface accumulation of nicastrin." J Biol Chem 277(21): 19236-40.

Levesque, G., G. Yu, et al. (1999). "Presenilins interact with armadillo proteins including neural-specific plakophilin-related protein and beta-catenin." J Neurochem 72(3): 999-1008.

Li, J., M. Xu, et al. (1997). "Alzheimer presenilins in the nuclear membrane, interphase kinetochores, and centrosomes suggest a role in chromosome segregation." Cell 90(5): 917-27.

Ling, Y., K. Morgan, et al. (2003). "Amyloid precursor protein (APP) and the biology of proteolytic processing: relevance to Alzheimer's disease." Int J Biochem Cell Biol 35(11): 1505-35.

Liu, K., R. W. Doms, et al. (2002). "Glu11 site cleavage and N-terminally truncated A beta production upon BACE overexpression." Biochemistry 41(9): 3128-36.

Luo, W. J., H. Wang, et al. (2003). "PEN-2 and APH-1 coordinately regulate proteolytic processing of presenilin 1." J Biol Chem 278(10): 7850-4.

Marambaud, P., J. Shioi, et al. (2002). "A presenilin-1/gamma-secretase cleavage releases the E-cadherin intracellular domain and regulates disassembly of adherens junctions." Embo J 21(8): 1948-56.

Murphy, T., A. Yip, et al. (2001). "The BACE gene: genomic structure and candidate gene study in late-onset Alzheimer's disease." Neuroreport 12(3): 631-4.

Nicolaou, M., Y. Q. Song, et al. (2001). "Mutations in the open reading frame of the beta-site APP cleaving enzyme (BACE) locus are not a common cause of Alzheimer's disease." Neurogenetics 3(4): 203-6.

Okochi, M., K. Ishii, et al. (1997). "Proteolytic processing of presenilin-1 (PS-1) is not associated with Alzheimer's disease with or without PS-1 mutations." FEBS Lett 418(1-2): 162-6.

Page 126: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

113

Petanceska, S. S., M. Seeger, et al. (2000). "Mutant presenilin 1 increases the levels of Alzheimer amyloid beta- peptide Abeta42 in late compartments of the constitutive secretory pathway." J Neurochem 74(5): 1878-84.

Pitsi, D., P. Kienlen-Campard, et al. (2002). "Failure of the interaction between presenilin 1 and the substrate of gamma-secretase to produce Abeta in insect cells." J Neurochem 83(2): 390-9.

Qian, S., P. Jiang, et al. (1998). "Mutant human presenilin 1 protects presenilin 1 null mouse against embryonic lethality and elevates Abeta1-42/43 expression." Neuron 20(3): 611-7.

Ratovitski, T., H. H. Slunt, et al. (1997). "Endoproteolytic processing and stabilization of wild-type and mutant presenilin." J Biol Chem 272(39): 24536-41.

Ray, W. J., M. Yao, et al. (1999). "Evidence for a physical interaction between presenilin and Notch." Proc Natl Acad Sci U S A 96(6): 3263-8.

Roberds, S. L., J. Anderson, et al. (2001). "BACE knockout mice are healthy despite lacking the primary beta- secretase activity in brain: implications for Alzheimer's disease therapeutics." Hum Mol Genet 10(12): 1317-24.

Russo, C., G. Schettini, et al. (2000). "Presenilin-1 mutations in Alzheimer's disease." Nature 405(6786): 531-2.

Sato, N., K. Imaizumi, et al. (2001). "Increased production of beta-amyloid and vulnerability to endoplasmic reticulum stress by an aberrant spliced form of presenilin 2." J Biol Chem 276(3): 2108-14.

Saura, C. A., T. Tomita, et al. (1999). "Evidence that intramolecular associations between presenilin domains are obligatory for endoproteolytic processing." J Biol Chem 274(20): 13818-23.

Schoneberg, T., G. Schultz, et al. (1999). "Structural basis of G protein-coupled receptor function." Mol Cell Endocrinol 151(1-2): 181-93.

Selkoe, D. J. (2001). "Alzheimer's disease: genes, proteins, and therapy." Physiol Rev 81(2): 741-66.

Shen, J., R. T. Bronson, et al. (1997). "Skeletal and CNS defects in Presenilin-1-deficient mice." Cell 89(4): 629-39.

Sherrington, R., E. I. Rogaev, et al. (1995). "Cloning of a gene bearing missense mutations in early-onset familial Alzheimer's disease." Nature 375(6534): 754-60.

Shi, X. P., K. Tugusheva, et al. (2003). "{beta}-Secretase Cleavage at Amino Acid Residue 34 in the Amyloid {beta} Peptide Is Dependent upon {gamma}-Secretase Activity." J Biol Chem 278(23): 21286-21294.

Sinha, S. (2002). "The role of beta-amyloid in Alzheimer's disease." Med Clin North Am 86(3): 629-39.

Sinha, S. and I. Lieberburg (1999). "Cellular mechanisms of beta-amyloid production and secretion." Proc Natl Acad Sci U S A 96(20): 11049-53.

Steiner, H., A. Capell, et al. (1998). "Expression of Alzheimer's disease-associated presenilin-1 is controlled by proteolytic degradation and complex formation." J Biol Chem 273(48): 32322-31.

Steinhilb, M. L., R. S. Turner, et al. (2002). "ELISA analysis of beta-secretase cleavage of the Swedish amyloid precursor protein in the secretory and endocytic pathways." J Neurochem 80(6): 1019-28.

Takasugi, N., T. Tomita, et al. (2003). "The role of presenilin cofactors in the gamma-secretase complex." Nature 422(6930): 438-41.

Tandon, A. and P. Fraser (2002). "The presenilins." Genome Biol 3(11): reviews3014.

Page 127: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

114

Tekirian, T. L. (2001). "Commentary: Abeta N- Terminal Isoforms: Critical contributors in the course of AD pathophysiology." J Alzheimers Dis 3(2): 241-248.

Thinakaran, G. (2001). "Metabolism of presenilins." J Mol Neurosci 17(2): 183-92. Thinakaran, G., D. R. Borchelt, et al. (1996). "Endoproteolysis of presenilin 1 and

accumulation of processed derivatives in vivo." Neuron 17(1): 181-90. Thinakaran, G., J. B. Regard, et al. (1998). "Stable association of presenilin

derivatives and absence of presenilin interactions with APP." Neurobiol Dis 4(6): 438-53.

Tomita, T., R. Takikawa, et al. (1999). "C terminus of presenilin is required for overproduction of amyloidogenic Abeta42 through stabilization and endoproteolysis of presenilin." J Neurosci 19(24): 10627-34.

Tomita, T., T. Watabiki, et al. (2001). "The first proline of PALP motif at the C terminus of presenilins is obligatory for stabilization, complex formation, and gamma-secretase activities of presenilins." J Biol Chem 276(35): 33273-81.

Torreilles, F. and J. Touchon (2002). "Pathogenic theories and intrathecal analysis of the sporadic form of Alzheimer's disease." Prog Neurobiol 66(3): 191-203.

Tyler, S. J., D. Dawbarn, et al. (2002). "alpha- and beta-secretase: profound changes in Alzheimer's disease." Biochem Biophys Res Commun 299(3): 373-6.

Van Gassen, G. and W. Annaert (2003). "Amyloid, presenilins, and Alzheimer's disease." Neuroscientist 9(2): 117-26.

Van Gassen, G., C. De Jonghe, et al. (1999). "Alzheimer's disease associated presenilin 1 interacts with HC5 and ZETA, subunits of the catalytic 20S proteasome." Neurobiol Dis 6(5): 376-91.

Vassar, R. (2001). "The beta-secretase, BACE: a prime drug target for Alzheimer's disease." J Mol Neurosci 17(2): 157-70.

Vassar, R., B. D. Bennett, et al. (1999). "Beta-secretase cleavage of Alzheimer's amyloid precursor protein by the transmembrane aspartic protease BACE." Science 286(5440): 735-41.

Wilson, C. A., R. W. Doms, et al. (2002). "Presenilins are not required for Abeta42 production in the early secretory pathway." Nat Neurosci 29: 29.

Wolfe, M. S. (2001). "gamma-Secretase inhibitors as molecular probes of presenilin function." J Mol Neurosci 17(2): 199-204.

Wolfe, M. S. (2003). "{gamma}-Secretase--Intramembrane Protease with a Complex." Sci Aging Knowl Environ 2003(11): PE7.

Wolfe, M. S., W. Xia, et al. (1999). "Two transmembrane aspartates in presenilin-1 required for presenilin endoproteolysis and gamma-secretase activity." Nature 398(6727): 513-7.

Xia, W. and M. S. Wolfe (2003). "Intramembrane proteolysis by presenilin and presenilin-like proteases." J Cell Sci 116(Pt 14): 2839-44.

Yan, R., P. Han, et al. (2001). "The transmembrane domain of the Alzheimer's beta-secretase (BACE1) determines its late Golgi localization and access to beta -amyloid precursor protein (APP) substrate." J Biol Chem 276(39): 36788-96.

Yang, D. S., A. Tandon, et al. (2002). "Mature glycosylation and trafficking of nicastrin modulate its binding to presenilins." J Biol Chem 277(31): 28135-42.

Yu, G., F. Chen, et al. (1998). "The presenilin 1 protein is a component of a high molecular weight intracellular complex that contains beta-catenin." J Biol Chem 273(26): 16470-5.

Page 128: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

115

Yu, G., M. Nishimura, et al. (2000). "Nicastrin modulates presenilin-mediated notch/glp-1 signal transduction and betaAPP processing." Nature 407(6800): 48-54.

Zhang, J., D. E. Kang, et al. (1998). "Subcellular distribution and turnover of presenilins in transfected cells." J Biol Chem 273(20): 12436-42.

Zhang, Z., P. Nadeau, et al. (2000). "Presenilins are required for gamma-secretase cleavage of beta-APP and transmembrane cleavage of Notch-1." Nat Cell Biol 2(7): 463-5.

Zhou, Y., W. Zhang, et al. (2002). "Presenilin-1 protects against neuronal apoptosis caused by its interacting protein PAG." Neurobiol Dis 9(2): 126-38.

Page 129: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

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FIGURE LEGENDS

FIG 1. Immature BACE1 binds full-length PS1 at an endogenous level. (A) a. Immature BACE1 binds full-length PS1 at an endogenous level. Detection of

co-immunoprecipitates following IP in endogenous HEK293T cell extracts.

Endogenous immature BACE1 can be immunoprecipitated with the N-19 antibody

(lane 2), but not with pre-immune serum (PIS) (lane 1) or Ab-14 (lane 3). b. Inverse

co-immunoprecipitation following PIS (lane 1) or anti-BACE C-terminal (lane 2)

immunoprecipitation. Blot is probed with N-19 antibody showing recuperated full-

length PS1 (lane 2) with immature BACE1 (not shown). (B) Two-hybrid assay

demonstrating BACE/PS1-loop 6-7 interaction. Representative Saccharomyces

cerevisiae AH109 strain colony growth. Positive co-transformation with both

pGBKT7 and pGADT7 constructs was confirmed by colony growth on TL- (not

shown). Activation of His and Ade reporter genes was used to verify interaction

between two proteins. Colony formation after 4 days of incubation on SD/TLHA- was

considered as positive interaction (+++) between fusion partners. Absence of colony

after 4 days was considered as an absence of interaction. However, plates with

negative results were incubated 10 days to confirm absence of growth. The pGBKT7-

PS1 Loop 6-7/pGADT7 BACE1 essay gave inconsistent results (+/-). Each hybrid

assay was performed at least 3 times.

FIG 2. In vivo immunoprecipitation of BACE1 with PS1 mutants. GST pull down assays and immunoprecipitation demonstrate that BACE and PS1

mutants interact in vivo. (A) Western blot analysis of transfected PS1 wt (lanes 1 and

2), PS1 L392V (lane 3) and PS1 D257A (lane 4) in GST-BACE precipitates following

suspension GST chromatographic extraction. PS1 holoproteins from transfected

HEK293T lysates can be detected as coeluants with BACE using anti-PS1 antibody,

PSN2 (lane 2-4). Similar results were obtained using anti-PS1 antibody, Ab-14 (data

not shown). PS1 does not coelute in extracts from GST only fractions (lane 1).

Western blot of crude protein extracts for PS1 is shown in middle panel. Coomassie

gel staining showing GST or GST-BACE fusion protein expression level (lower

panel). (B) Detection of various PS1 mutants in co-immunoprecipitates following IP

with anti-V5 (BACE1-V5) antibody. BACE-V5 (both immature and mature forms)

can be detected in IP products from double transfected cells but not in non-specific

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anti-myc immunoprecipitated products (upper panel). Western blots showing PS1

mutants coeluted with anti-V5 (BACE1) (middle panel, probed with anti-PSN2).

Lanes 1-8, lower panel, are crude lysates from double transfected cells, blotted with

anti-PS1 (PSN2).

FIG 3. BACE1-induced down-regulation of PS1 holoprotein levels. (A) BACE maturation is not affected in PS1 -/- cells. Endogenous cell extracts from

HEK293T, N2A, PS1 +/+ and PS1 -/- fibroblast cells were probed with either anti-

BACE C-terminal or Ab-14 (PS1) antibodies. Note that both immature and mature

protein levels of BACE are not affected by the absence of PS1. (B) γ-Secretase

activity is not implicated in BACE maturation. Either mock, PS1 wt or PS1 D385A

cDNAs were co-transfected with BACE in HEK293T cells. Proteins were extracted,

treated (lanes 1-3) or not (lanes 4-6) with ENDO-H overnight, separated by SDS-

PAGE and probed with Ab-1 (anti-BACE N-terminal) antibody. Negative controls for

ENDO-H treatment of cell extracts were conducted with H2O (not shown). (C)

BACE-dependent PS1 holoprotein down-regulation. Western blot of PS1 (anti-PSN2)

protein levels in double transfected (PS1 wt and BACE) HEK293T cells. Note the

substancial and specific PS1 holoprotein down-regulation when co-expressed with

BACE (lane 2) but not alone (lane 1) nor mock (not shown). (D) Dose-dependent PS1

holoprotein down-regulation induced by immature BACE species as observed by

Western blot in double transfected HEK293T cells. Note that PS1 N-terminal

fragment levels are not substantially affected by BACE overexpression. Negative

tranfection controls include mock (not shown) and HES-1 (lower panel). (E)

Artificially engineered “mature” BACE partially inhibits PS1-induced holoprotein

down-regulation. Western blot demonstrating partial PS1 holoprotein down-regulation

by ∆pro-BACE. Blot is probed with anti-PSN2.

FIG 4. PS1 aspartate mutations inhibit BACE-dependent down-regulation. (A) PS1 AD-associated mutants are also affected by BACE overexpression. Equal

amounts of proteins extracted from PS1 wt, PS1 L392V and PS1 EX10 double

transfected HEK293T cells were mixed with reducing SDS-PAGE sample buffer,

boiled for 2 min, then fractionated on SDS-PAGE and transferred to PVDF

membrane. The membrane was probed using PSN2 (PS1), Ab-1 (BACE) and HA

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(HES1-HA) antibodies. Negative control includes mock (not shown) and HES-1

(lanes 1, 3, 5 and 7). (B) PS1 D385A mutant is partially unaffected by BACE

overexpression in HEK293T cells. Equal amounts of proteins extracted from PS1

D385A double transfected HEK293T cells were mixed with reducing SDS-PAGE

sample buffer, boiled for 2 min, then fractionated on SDS-PAGE and transferred to

PVDF membrane. The membrane was probed using PSN2 antibody. (C) Graphic

demonstrating percentage of PS1 holoprotein down-regulation induced by BACE

overexpression (10 µg) in HEK293T cells. Results from four independent

experiences are shown. (D) γ-Secretase aspartate mutants are unaffected by BACE

overexpression in PS1 knockout cells. Equal amounts of proteins extracted from PS1

wt, PS1 L392V, PS1 EX10, PS1 D257A and PS1 D385A single (lanes 1-5) or double

(lanes 6-10) transfected PS1 -/- fibroblast cells were mixed with reducing SDS-PAGE

sample buffer, boiled for 2 min, then fractionated on SDS-PAGE and transferred to

PVDF membrane. The membrane was probed using PSN2 (PS1) antibody. (E)

Graphic demonstrating percentage of PS1 holoprotein down-regulation induced by

BACE overexpression (10 µg) in PS1 -/- cells. Results from three independent

experiences are shown.

FIG 5. BACE-dependent PS1 holoprotein down-regulation is independent of γ-

secretase and proteasome activities.

(A) BACE-dependent PS1 holoprotein down-regulation is independent of γ-secretase

activity. Proteins were extracted from double transfected (PS1 wt and BACE) (lanes

1-3) HEK293T cells. Prior to extraction, 1 petri dish was treated 16H at 37°C with 1

µM of DAPT (lane 3), a highly potent γ-secretase inhibitor. (B) BACE-dependent

PS1 holoprotein down-regulation is independent of proteasome (calpain) activity.

Either single (i.e.BACE, lane 3) or double (i.e. BACE and PS1 wt, lanes 4-7)

transfected HEK293T cells were treated with 50 µM of the highly potent proteasome

inhibitor ALLN for 16H at 37°C (lanes 2, 3, 6 and 7). Proteins were extracted,

subjected to SDS-PAGE, and probed with anti-PSN2 antibody. Note that PS1 N-

terminal (and C-terminal, not shown) fragments do not accumulate in vivo.

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CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

CHAPITRE VII

Ce projet avait pour but d’étudier le rôle qu’exerce la préséniline-1 (PS1) dans la

régulation de l’amyloïde bêta 42 neurotoxique. Plus spécifiquement, nous voulions

approfondir la relation qui existe entre PS1 et l’activité γ-secrétase. Mes objectifs de

travail reposaient sur l’hypothèse que, tel qu’il est observé avec d’autres protéines

multi-transmembranaires, l’oligomérisation de la PS1 pourrait jouer un rôle important

dans la régulation et/ou l’activation de la γ-secrétase.

L’ensemble des travaux présenté dans les chapitres 1 et 2 nous a permis de suggérer

un nouveau modèle de maturation post-traductionnelle pour la PS1 (Hébert, Godin et

al. 2003a; Hébert, Godin et al. 2003b). Effectivement, il a été possible de démontrer

qu’une dimérisation de la PS1 sauvage et mutante est une étape prémonitoire à la

génération des fragments NTF et CTF du complexe γ-secrétase actif (via la formation

d’un complexe de bas poids moléculaire). Analogue à ces résultats, une étude très

récente de Schroeter et al. (2003), portant sur la caractérisation des propriétés

allostériques de la γ-secrétase, suggère qu’un dimère PS1 (tétramère NTF/CTF, voir

chapitre 5) constituerait le centre catalytique de l’enzyme. De plus, ils suggèrent

qu’une dimérisation de la PS1 normale et/ou mutée est nécessaire à la reconnaissance

et à la spécificité du clivage d’un substrat donné (dans leur cas, entre AβPP et Notch).

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125

D’autres études seront nécessaires afin de vérifier si l’oligomérisation de la PS1 dans

la cellule nécessite par exemple la participation de d’autres protéines. Tel que reporté

dans les chapitres 2, 3 et 4, la PS1 peut se lier aux protéines du complexe γ-secrétase.

Il est donc possible d’imaginer que la maturation et de la PS1 (et la génération du

tétramère NTF/CTF) nécessite l’apport des protéines Nicastrine, Aph-1 et Pen-2 in

vivo. En accord avec cette hypothèse, deux études récentes effectuées en culture de

cellules démontrent que Nicastrine et Aph-1 peuvent lier et stabiliser le complexe de

bas poids moléculaire (dimères) de la PS1 (Hu and Fortini 2003; LaVoie, Fraering et

al. 2003) pour ensuite favorisée la génération des fragments NTFs et CTFs (via un

processus protéolytique impliquant la Pen-2) (Francis, McGrath et al. 2002; Takasugi,

Tomita et al. 2003). Il serait donc intéressant de déterminer si l’interaction entre

Nicastrine, Aph-1 et PS1 est dépendante de la dimérisation de cette dernière. Pour

tester cette hypothèse, nous pourrions utilisé le mutant de délétion PS1 ∆TM1-2

(correspondant aux acides aminés 82-154). En effet, des études ont démontré qu’une

délétion de la portion PS1 TM1-2 a un effet dominant négatif (tel qu’observé avec les

mutations aspartates D257A et D385A) sur la maturation protéique de la PS1 et

l’activité γ-secrétase (Leem, Saura et al. 2002; Cai, Leem et al. 2003). Donc, il serait

intéressant d’évaluer si la PS1 ∆TM1-2 peut bel et bien se dimériser et/ou se lier aux

autres protéines du complexe γ-secrétase (soit par technique de double hybride en

levure ou par co-immunoprécipitation en cellules).

Le second volet de cette étude, dont les résultats sont présentés dans les chapitres 5, 6

et en annexe 1, a été orienté sur le développement d’un essai enzymatique pour la γ-

secrétase en levure. Premièrement, nos expériences ont permis de mettre en évidence

une interaction directe entre PS1 et BACE (Hébert, Bourdages et al. 2003). Des

études antérieures portant sur la caractérisation des secrétases et la génération des

peptides amyloïdes avaient suggérées une régulation à la hausse de l’activité β-

secrétase par la PS1 mutée (Ancolio, Marambaud et al. 1997; Sudoh, Kawamura et al.

1998; Komano, Sudoh et al. 1999). Il est donc possible d’imaginer qu’une interaction

directe entre la BACE (β-secrétase) et la PS1 (normale et mutée) soit responsable

d’une telle co-régulation enzymatique. Toutefois, la manière spécifique dont

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126

l’activité β- (et γ-) secrétase est régulée par une PS1 mutée de façon à augmenter la

production des peptides amyloïdes Aβ42 demeure toujours du domaine de l’inconnu;

surtout si la PS1 ne semble pas posséder d’activité enzymatique intrinsèque (tel que

suggéré en annexe 1 et [(Edbauer, Winkler et al. 2003)]).

Outre un rôle « évident » de l’interaction PS1-BACE, d’autres études présentées au

chapitre 6 nous permettent de suggérer une régulation de la PS1 par la BACE. En

effet, nos résultats préliminaires démontrent que la quantité (et possiblement

l’activité) de la BACE immature régule l’holoprotéine de la PS1. De plus, un certain

nombre d’expériences réalisées parallèlement à ce travail m’ont permis de démontrer

que la régulation à la baisse de l’holoprotéine PS1 par la BACE immature était

atténuée par la co-expression de Aph-17. Cette observation laisse supposer qu’il

existe une compétition entre Aph-1 et BACE pour la PS1. Curieusement, l’ensemble

des résultats présentés dans le chapitre 6, joint aux résultats de la littérature (voir

Tableau 2), suggère que l’aspartyl protéase BACE soit une « présénilinase ». Il serait

donc intéressant de vérifier si par exemple BACE peut cliver directement PS1 in vitro

(en utilisant soit la PS1 pleine longueur ou la loupe hydrophile PS1 6-7 [acides

aminés 239-409] purifiée comme substrat pour la BACE purifiée [disponible

commercialement]). Si cette dernière hypothèse s’avère vraie, nos résultats

permettront pour la première fois d’établir un mécanisme moléculaire commun entre

les formes familiales et sporadiques de la maladie d’Alzheimer.

En résumé, les résultats présentés dans cette thèse ont clairement démontré que

l’oligomérisation de la PS1 joue un rôle déterminant dans la génération des fragments

NTFs et CTFs, composants actifs du complexe γ-secrétase. De plus, nous avons pu

mettre en évidence une interaction entre PS1 et BACE, les deux joueurs clés dans la

production du peptide amyloïde bêta-42 toxique, constituant majeur des plaques

amyloïdes observées chez les patients atteints de la maladie d'Alzheimer.

7 Hébert S.S. (2003) Résultats non publiés

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127

Même s’il existe plus de en plus de littérature scientifique traitant de la préséniline-1

(plus de 1250 publications depuis les 7 dernières années), la fonction précise de la

PS1 demeure inconnue. Mes résultats apportent des connaissances indispensables à

l’élucidation du rôle biologique des protéines impliquées dans le métabolisme de

l’amyloïde bêta, plus spécifiquement de la PS1 et de la BACE. De plus, puisque PS1

et BACE sont des cibles thérapeutiques contre la formation de l’amyloïde (des

médicaments qui inhibent l’activité de la β- ou de la γ- secrétase sont maintenant au

stade des essais cliniques), ces résultats aideront au développement d’un outil

thérapeutique efficace pour lutter contre le développement ce la maladie d’Alzheimer.

De plus, ces nouvelles connaissances pourront avoir une répercussion sur l’étude des

causes de la forme sporadique de la maladie ainsi que sur l’étude du rôle de la PS2

Tableau 2. Ressemblances biologiques et biochimiques entre la « présénilinase » et la BACE (β-secrétase). * FFMA (Formes familiales de la maladie d’Alzheimer)

« Présénilinase »

BACE (β-secrétase)

Références

Protéine intra-membranaire Principalement localisée dans le RE Aspartyl protéase (distinct de la γ-secrétase) Pas inhibée par inhibiteurs γ-secrétase (ex : DAPT) Activité présente dans cellules PS1 -/- Clive entre les acides aminés 292-298 de la PS1 Les mutations associées aux FFMA* (à l’exception de mutant PS1 ∆EX10) n’influencent pas la production des fragments NTF/CTFs. Activité insensible aux mutations aspartates (D257A et D385A)

Protéine intra-membranaire Principalement localisée dans le RE (forme immature) Aspartyl protéase (distinct de la γ-secrétase) Pas inhibée par inhibiteurs γ-secrétase (ex : DAPT) Activité présente dans cellules PS1 -/- Clive entre les acides aminés 292-298 de la PS1 (peptide in vitro) Les mutations associées aux FFMA* (à l’exception du mutant PS1 ∆EX10) n’influencent pas la production des fragments NTF/CTFs. Activité insensible aux mutations aspartates (D257A et D385A)

(Vassar, Bennett et al. 1999; Campbell, Iskandar et al. 2002) (Capell, Steiner et al. 2000; Campbell, Reed et al. 2003) (Vassar, Bennett et al. 1999; Campbell, Reed et al. 2003) (Campbell, Iskandar et al. 2002) et chapitre 6 (Pitsi, Kienlen-Campard et al. 2002; Nyabi, Bentahir et al. 2003) et chapitre 6 (Podlisny, Citron et al. 1997) (Campbell, Iskandar et al. 2002) et chapitre 6 (Kimberly, Xia et al. 2000; Campbell, Reed et al. 2003) et chapitre 6

Page 141: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

Aldudo, J., M. J. Bullido, et al. (1998). "Missense mutation E318G of the presenilin-1

gene appears to be a nonpathogenic polymorphism." Ann Neurol 44(6): 985-6.

Ancolio, K., P. Marambaud, et al. (1997). "Alpha-secretase-derived product of beta-

amyloid precursor protein is decreased by presenilin 1 mutations linked to

familial Alzheimer's disease." J Neurochem 69(6): 2494-9.

Annaert, W. and B. De Strooper (1999). "Presenilins: molecular switches between

proteolysis and signal transduction." Trends Neurosci 22(10): 439-43.

Annaert, W. and B. De Strooper (2002). "A cell biological perspective on Alzheimer's

disease." Annu Rev Cell Dev Biol 18: 25-51.

Annaert, W. G., C. Esselens, et al. (2001). "Interaction with telencephalin and the

amyloid precursor protein predicts a ring structure for presenilins." Neuron

32(4): 579-89.

Arawaka, S., H. Hasegawa, et al. (2002). "The levels of mature glycosylated nicastrin

are regulated and correlate with gamma-secretase processing of amyloid beta-

precursor protein." J Neurochem 83(5): 1065-71.

Armogida, M., A. Petit, et al. (2001). "Endogenous beta-amyloid production in

presenilin-deficient embryonic mouse fibroblasts." Nat Cell Biol 3(11): 1030-

3.

Basi, G., N. Frigon, et al. (2003). "Antagonistic effects of beta-site amyloid precursor

protein-cleaving enzymes 1 and 2 on beta-amyloid peptide production in

cells." J Biol Chem 278(34): 31512-20.

Beher, D., J. D. Wrigley, et al. (2001). "Pharmacological knock-down of the

presenilin 1 heterodimer by a novel gamma -secretase inhibitor: implications

for presenilin biology." J Biol Chem 276(48): 45394-402.

Beher, D., J. D. Wrigley, et al. (2002). "Generation of C-terminally truncated

amyloid-beta peptides is dependent on gamma-secretase activity." J

Neurochem 82(3): 563-75.

Page 142: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

129

Benjannet, S., A. Elagoz, et al. (2001). "Post-translational processing of beta-secretase

(beta-amyloid-converting enzyme) and its ectodomain shedding. The pro- and

transmembrane/cytosolic domains affect its cellular activity and amyloid-beta

production." J Biol Chem 276(14): 10879-87.

Bennett, B. D., P. Denis, et al. (2000). "A furin-like convertase mediates propeptide

cleavage of BACE, the Alzheimer's beta -secretase." J Biol Chem 275(48):

37712-7.

Berchtold, N. C. and C. W. Cotman (1998). "Evolution in the conceptualization of

dementia and Alzheimer's disease: Greco-Roman period to the 1960s."

Neurobiol Aging 19(3): 173-89.

Berezovska, O., C. Jack, et al. (2000). "Aspartate mutations in presenilin and gamma-

secretase inhibitors both impair notch1 proteolysis and nuclear translocation

with relative preservation of notch1 signaling." J Neurochem 75(2): 583-93.

Boller, F. and M. M. Forbes (1998). "History of dementia and dementia in history: an

overview." J Neurol Sci 158(2): 125-33.

Borchelt, D. R., G. Thinakaran, et al. (1996). "Familial Alzheimer's disease-linked

presenilin 1 variants elevate Abeta1-42/1-40 ratio in vitro and in vivo."

Neuron 17(5): 1005-13.

Boulianne, G. L., I. Livne-Bar, et al. (1997). "Cloning and characterization of the

Drosophila presenilin homologue." Neuroreport 8(4): 1025-9.

Cai, D., J. Y. Leem, et al. (2003). "Presenilin-1 regulates intracellular trafficking and

cell surface delivery of beta-amyloid precursor protein." J Biol Chem 278(5):

3446-54.

Campbell, W. A., M. K. Iskandar, et al. (2002). "Endoproteolysis of presenilin in

vitro: inhibition by gamma-secretase inhibitors." Biochemistry 41(10): 3372-9.

Campbell, W. A., M. L. Reed, et al. (2003). "Presenilin endoproteolysis mediated by

an aspartyl protease activity pharmacologically distinct from gamma-

secretase." J Neurochem 85(6): 1563-74.

Capell, A., J. Grunberg, et al. (1998). "The proteolytic fragments of the Alzheimer's

disease-associated presenilin-1 form heterodimers and occur as a 100-150-kDa

molecular mass complex." J Biol Chem 273(6): 3205-11.

Capell, A., H. Steiner, et al. (2000). "Maturation and pro-peptide cleavage of beta-

secretase." J Biol Chem 275(40): 30849-54.

Page 143: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

130

Cervantes, S., R. Gonzalez-Duarte, et al. (2001). "Homodimerization of presenilin N-

terminal fragments is affected by mutations linked to Alzheimer's disease."

FEBS Lett 505(1): 81-6.

Chen, F., G. Yu, et al. (2001). "Nicastrin binds to membrane-tethered Notch." Nat

Cell Biol 3(8): 751-4.

Citron, M., C. B. Eckman, et al. (1998). "Additive effects of PS1 and APP mutations

on secretion of the 42- residue amyloid beta-protein." Neurobiol Dis 5(2): 107-

16.

Citron, M., D. Westaway, et al. (1997). "Mutant presenilins of Alzheimer's disease

increase production of 42- residue amyloid beta-protein in both transfected

cells and transgenic mice." Nat Med 3(1): 67-72.

Cruts, M., B. Dermaut, et al. (2001). "Amyloid beta secretase gene (BACE) is neither

mutated in nor associated with early-onset Alzheimer's disease." Neurosci Lett

313(1-2): 105-7.

Davis, J. A., S. Naruse, et al. (1998). "An Alzheimer's disease-linked PS1 variant

rescues the developmental abnormalities of PS1-deficient embryos." Neuron

20(3): 603-9.

De Strooper, B. (2003). "Aph-1, Pen-2, and Nicastrin with Presenilin Generate an

Active gamma- Secretase Complex." Neuron 38(1): 9-12.

De Strooper, B., M. Beullens, et al. (1997). "Phosphorylation, subcellular localization,

and membrane orientation of the Alzheimer's disease-associated presenilins." J

Biol Chem 272(6): 3590-8.

De Strooper, B., P. Saftig, et al. (1998). "Deficiency of presenilin-1 inhibits the

normal cleavage of amyloid precursor protein." Nature 391(6665): 387-90.

De Strooper, B. and J. Woodgett (2003). "Alzheimer's disease: Mental plaque

removal." Nature 423(6938): 392-3.

De Strooper, B., Annaert, W. et al. (1999) A presenilin-1-dependent gamma-

secretase-like protease mediates release of Notch intracellular domain. Nature

Apr 8;398(6727):518-22

Dingwall, C. (2001). "Spotlight on BACE: the secretases as targets for treatment in

Alzheimer disease." J Clin Invest 108(9): 1243-6.

Doan, A., G. Thinakaran, et al. (1996). "Protein topology of presenilin 1." Neuron

17(5): 1023-30.

Page 144: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

131

Edbauer, D., E. Winkler, et al. (2003). "Reconstitution of gamma-secretase activity."

Nat Cell Biol 5(5): 486-8.

Esler, W. P., W. T. Kimberly, et al. (2000). "Transition-state analogue inhibitors of

gamma-secretase bind directly to presenilin-1." Nat Cell Biol 2(7): 428-34.

Esler, W. P., W. T. Kimberly, et al. (2002). "Activity-dependent isolation of the

presenilin- gamma -secretase complex reveals nicastrin and a gamma

substrate." Proc Natl Acad Sci U S A 99(5): 2720-5.

Evin, G., D. Le Brocque, et al. (2000). "Presenilin I expression in yeast lowers

secretion of the amyloid precursor protein." Neuroreport 11(2): 405-8.

Evin, G. and A. Weidemann (2002). "Biogenesis and metabolism of Alzheimer's

disease Abeta amyloid peptides." Peptides 23(7): 1285-97.

Farmery, M. R., L. O. Tjernberg, et al. (2003). "Partial purification and

characterization of gamma-secretase from post-mortem human brain." J Biol

Chem 278(27): 24277-84.

Farzan, M., C. E. Schnitzler, et al. (2000). "BACE2, a beta -secretase homolog,

cleaves at the beta site and within the amyloid-beta region of the amyloid-beta

precursor protein." Proc Natl Acad Sci U S A 97(17): 9712-7.

Fassbender, K., C. Masters, et al. (2001). "Alzheimer's disease: molecular concepts

and therapeutic targets." Naturwissenschaften 88(6): 261-7.

Fluhrer, R., G. Multhaup, et al. (2003). "Identification of a beta-secretase activity,

which truncates amyloid beta-peptide after its presenilin-dependent

generation." J Biol Chem 278(8): 5531-8.

Francis, R., G. McGrath, et al. (2002). "aph-1 and pen-2 are required for Notch

pathway signaling, gamma- secretase cleavage of betaAPP, and presenilin

protein accumulation." Dev Cell 3(1): 85-97.

Fraser, P. E., D. S. Yang, et al. (2000). "Presenilin structure, function and role in

Alzheimer disease." Biochim Biophys Acta 1502(1): 1-15.

Fukumoto, H., B. S. Cheung, et al. (2002). "Beta-secretase protein and activity are

increased in the neocortex in Alzheimer disease." Arch Neurol 59(9): 1381-9.

Goate, A., M. C. Chartier-Harlin, et al. (1991). "Segregation of a missense mutation in

the amyloid precursor protein gene with familial Alzheimer's disease." Nature

349(6311): 704-6.

Page 145: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

132

Goate, A. M. (1997). "Molecular genetics of Alzheimer's disease." Geriatrics 52

Suppl 2: S9-12.

Godin, C., Auclair, A., Ferland, M., Hébert, S.S., Carreau, M., Levesque, G. (2003).

"Presenilin-1 is indirectly implicated in Notch1 cleavage." J. Neurochem. Aug

26;14(12):1613-6.

Gottfries, C. G. (1988). "Alzheimer's disease. A critical review." Compr Gerontol [C]

2(1): 47-62.

Gouldson, P. R., C. Higgs, et al. (2000). "Dimerization and domain swapping in G-

protein-coupled receptors: a computational study." Neuropsychopharmacology

23(4 Suppl): S60-77.

Gu, Y., F. Chen, et al. (2003). "APH-1 interacts with mature and immature forms of

presenilins and nicastrin and may play a role in maturation of

presenilin.nicastrin complexes." J Biol Chem 278(9): 7374-80.

Guo, Q., K. Furukawa, et al. (1996). "Alzheimer's PS-1 mutation perturbs calcium

homeostasis and sensitizes PC12 cells to death induced by amyloid beta-

peptide." Neuroreport 8(1): 379-83.

Haass, C. and B. De Strooper (1999). "The presenilins in Alzheimer's disease--

proteolysis holds the key." Science 286(5441): 916-9.

Haass, C., C. A. Lemere, et al. (1995). "The Swedish mutation causes early-onset

Alzheimer's disease by beta-secretase cleavage within the secretory pathway."

Nat Med 1(12): 1291-6.

Haass, C. and H. Steiner (2002). "Alzheimer disease gamma-secretase: a complex

story of GxGD-type presenilin proteases." Trends Cell Biol 12(12): 556-62.

Hardy, J., K. Duff, et al. (1998). "Genetic dissection of Alzheimer's disease and

related dementias: amyloid and its relationship to tau." Nat Neurosci 1(5):

355-8.

Hardy, J. and D. J. Selkoe (2002). "The amyloid hypothesis of Alzheimer's disease:

progress and problems on the road to therapeutics." Science 297(5580): 353-6.

Hattori, C., M. Asai, et al. (2002). "BACE1 interacts with nicastrin." Biochem

Biophys Res Commun 293(4): 1228-32.

Hébert, S. S., V. Bourdages, et al. (2003). "Presenilin-1 interacts directly with the

beta-site amyloid protein precursor cleaving enzyme (BACE1)." Neurobiol

Dis 13(3): 238-45.

Page 146: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

133

Hébert, S. S., C. Godin, et al. (2003a). "Oligomerization of human presenilin-1

fragments." FEBS Lett 550(1-3): 30-4.

Hébert, S. S., C. Godin, et al. (2003b). "Dimerization of presenilin-1 in vivo:

suggestion of novel regulatory mechanisms leading to higher order

complexes." Biochem Biophys Res Commun 301(1): 119-26.

Higgins, G. A., C. H. Large, et al. (1997). "Apolipoprotein E and Alzheimer's disease:

a review of recent studies." Pharmacol Biochem Behav 56(4): 675-85.

Holsinger, R. M., C. A. McLean, et al. (2002). "Increased expression of the amyloid

precursor beta-secretase in Alzheimer's disease." Ann Neurol 51(6): 783-6.

Honda, T., K. Yasutake, et al. (1999). "Dual roles of proteasome in the metabolism of

presenilin 1." J Neurochem 72(1): 255-61.

Howlett, D. R., D. L. Simmons, et al. (2000). "In search of an enzyme: the beta-

secretase of Alzheimer's disease is an aspartic proteinase." Trends Neurosci

23(11): 565-70.

Hu, Y. and M. E. Fortini (2003). "Different cofactor activities in gamma-secretase

assembly: evidence for a nicastrin-Aph-1 subcomplex." J Cell Biol 161(4):

685-90.

Huse, J. T. and R. W. Doms (2000). "Closing in on the amyloid cascade: recent

insights into the cell biology of Alzheimer's disease." Mol Neurobiol 22(1-3):

81-98.

Huse, J. T., K. Liu, et al. (2002). "Beta-secretase processing in the trans-Golgi

network preferentially generates truncated amyloid species that accumulate in

Alzheimer's disease brain." J Biol Chem 277(18): 16278-84.

Hussain, I., D. Powell, et al. (1999). "Identification of a novel aspartic protease (Asp

2) as beta-secretase." Mol Cell Neurosci 14(6): 419-27.

Janicki, S. M., S. M. Stabler, et al. (2000). "Familial Alzheimer's disease presenilin-1

mutants potentiate cell cycle arrest." Neurobiol Aging 21(6): 829-36.

Jarrett, J. T., E. P. Berger, et al. (1993). "The carboxy terminus of the beta amyloid

protein is critical for the seeding of amyloid formation: implications for the

pathogenesis of Alzheimer's disease." Biochemistry 32(18): 4693-7.

Jarrett, J. T. and P. T. Lansbury, Jr. (1993). "Seeding "one-dimensional

crystallization" of amyloid: a pathogenic mechanism in Alzheimer's disease

and scrapie?" Cell 73(6): 1055-8.

Page 147: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

134

Jorm, A. F. (1997). "Alzheimer's disease: risk and protection." Med J Aust 167(8):

443-6.

Kaether, C., S. Lammich, et al. (2002). "Presenilin-1 affects trafficking and

processing of betaAPP and is targeted in a complex with nicastrin to the

plasma membrane." J Cell Biol 158(3): 551-61.

Kamal, A., A. Almenar-Queralt, et al. (2001). "Kinesin-mediated axonal transport of a

membrane compartment containing beta-secretase and presenilin-1 requires

APP." Nature 414(6864): 643-8.

Kametaka, S., M. Shibata, et al. (2003). "Identification of phospholipid scramblase 1

as a novel interacting molecule with beta -secretase (beta -site amyloid

precursor protein (APP) cleaving enzyme (BACE))." J Biol Chem 278(17):

15239-45.

Kang, J., H. G. Lemaire, et al. (1987). "The precursor of Alzheimer's disease amyloid

A4 protein resembles a cell-surface receptor." Nature 325(6106): 733-6.

Kim, S. H., T. Ikeuchi, et al. (2003). "Regulated hyperaccumulation of presenilin-1

and the "gamma -secretase" complex: Evidence for differential

intramembranous processing of transmembrane substrates." J Biol Chem.

Kim, S. S., Y. M. Choi, et al. (1997). "Lack of interactions between amyloid precursor

protein and hydrophilic domains of presenilin 1 and 2 using the yeast two

hybrid system." J Mol Neurosci 9(1): 49-54.

Kimberly, W. T., M. J. LaVoie, et al. (2003). "{gamma}-Secretase is a membrane

protein complex comprised of presenilin, nicastrin, aph-1, and pen-2." Proc

Natl Acad Sci U S A 100(11): 6382-6387.

Kimberly, W. T., W. Xia, et al. (2000). "The transmembrane aspartates in presenilin 1

and 2 are obligatory for gamma-secretase activity and amyloid beta-protein

generation." J Biol Chem 275(5): 3173-8.

King, S. A. and E. J. Sorscher (2000). "R-domain interactions with distal regions of

CFTR lead to phosphorylation and activation." Biochemistry 39(32): 9868-75.

Kinoshita, A., H. Fukumoto, et al. (2003). "Demonstration by FRET of BACE

interaction with the amyloid precursor protein at the cell surface and in early

endosomes." J Cell Sci 116(Pt 16): 3339-46.

Kirk, K. L. (2000). "New paradigms of CFTR chloride channel regulation." Cell Mol

Life Sci 57(4): 623-34.

Page 148: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

135

Kitaguchi, N., Y. Takahashi, et al. (1988). "Novel precursor of Alzheimer's disease

amyloid protein shows protease inhibitory activity." Nature 331(6156): 530-2.

Kitazume, S., T. C. Saido, et al. (2002). "[Identification of a novel substrate of

Alzheimer's beta-secretase: beta-secretase dependent cleavage of alpha 2,6

sialyltransferase]." Seikagaku 74(9): 1180-3.

Kitazume, S., Y. Tachida, et al. (2001). "Alzheimer's beta-secretase, beta-site amyloid

precursor protein- cleaving enzyme, is responsible for cleavage secretion of a

Golgi- resident sialyltransferase." Proc Natl Acad Sci U S A 98(24): 13554-9.

Komano, H., S. Sudoh, et al. (1999). "Implications of presenilin 1 mutations in

Alzheimer's disease." Mech Ageing Dev 107(3): 281-98.

Kovacs, D. M., H. J. Fausett, et al. (1996). "Alzheimer-associated presenilins 1 and 2:

neuronal expression in brain and localization to intracellular membranes in

mammalian cells." Nat Med 2(2): 224-9.

Kowalska, A. (2003). "Amyloid precursor protein gene mutations responsible for

early-onset autosomal dominant Alzheimer's disease." Folia Neuropathol

41(1): 35-40.

Lah, J. J., C. J. Heilman, et al. (1997). "Light and electron microscopic localization of

presenilin-1 in primate brain." J Neurosci 17(6): 1971-80.

Lahiri, D. K., M. R. Farlow, et al. (2003). "A critical analysis of new molecular

targets and strategies for drug developments in Alzheimer's disease." Curr

Drug Targets 4(2): 97-112.

LaVoie, M. J., P. C. Fraering, et al. (2003). "Assembly of the gamma -secretase

complex involves early formation of an intermediate sub-complex of Aph-1

and Nicastrin." J Biol Chem.

LaVoie, M. J. and D. J. Selkoe (2003). "The Notch ligands, Jagged and Delta, are

sequentially processed by alpha-secretase and presenilin/gamma-secretase and

release signaling fragments." J Biol Chem 278(36): 34427-37.

Lee, H. J., K. M. Jung, et al. (2002). "Presenilin-dependent gamma-secretase-like

intramembrane cleavage of ErbB4." J Biol Chem 277(8): 6318-23.

Lee, M. K., D. R. Borchelt, et al. (1997). "Hyperaccumulation of FAD-linked

presenilin 1 variants in vivo." Nat Med 3(7): 756-60.

Page 149: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

136

Lee, S. F., S. Shah, et al. (2002). "Mammalian APH-1 interacts with presenilin and

nicastrin and is required for intramembrane proteolysis of amyloid-beta

precursor protein and Notch." J Biol Chem 277(47): 45013-9.

Lee, S. P., Z. Xie, et al. (2000). "Oligomerization of dopamine and serotonin

receptors." Neuropsychopharmacology 23(4 Suppl): S32-40.

Leem, J. Y., C. A. Saura, et al. (2002). "A role for presenilin 1 in regulating the

delivery of amyloid precursor protein to the cell surface." Neurobiol Dis 11(1):

64-82.

Leem, J. Y., S. Vijayan, et al. (2002). "Presenilin 1 is required for maturation and cell

surface accumulation of nicastrin." J Biol Chem 277(21): 19236-40.

Lehmann, S., R. Chiesa, et al. (1997). "Evidence for a six-transmembrane domain

structure of presenilin 1." J Biol Chem 272(18): 12047-51.

Levesque, G., G. Yu, et al. (1999). "Presenilins interact with armadillo proteins

including neural-specific plakophilin-related protein and beta-catenin." J

Neurochem 72(3): 999-1008.

Levitan, D. and I. Greenwald (1995). "Facilitation of lin-12-mediated signalling by

sel-12, a Caenorhabditis elegans S182 Alzheimer's disease gene." Nature

377(6547): 351-4.

Levitan, D., J. Lee, et al. (2001). "PS1 N- and C-terminal fragments form a complex

that functions in APP processing and Notch signaling." Proc Natl Acad Sci U

S A 98(21): 12186-90.

Li, J., M. Xu, et al. (1997). "Alzheimer presenilins in the nuclear membrane,

interphase kinetochores, and centrosomes suggest a role in chromosome

segregation." Cell 90(5): 917-27.

Li, X. and I. Greenwald (1996). "Membrane topology of the C. elegans SEL-12

presenilin." Neuron 17(5): 1015-21.

Li, X. and I. Greenwald (1998). "Additional evidence for an eight-transmembrane-

domain topology for Caenorhabditis elegans and human presenilins." Proc

Natl Acad Sci U S A 95(12): 7109-14.

Li, Y. M., M. T. Lai, et al. (2000). "Presenilin 1 is linked with gamma-secretase

activity in the detergent solubilized state." Proc Natl Acad Sci U S A 97(11):

6138-43.

Page 150: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

137

Lichtenthaler, S. F., D. I. Dominguez, et al. (2003). "The cell adhesion protein P-

selectin glycoprotein ligand-1 is a substrate for the aspartyl protease BACE1."

J Biol Chem.

Ling, Y., K. Morgan, et al. (2003). "Amyloid precursor protein (APP) and the biology

of proteolytic processing: relevance to Alzheimer's disease." Int J Biochem

Cell Biol 35(11): 1505-35.

Liu, H. C., S. J. Leu, et al. (2003). "The association of beta-site APP cleaving enzyme

(BACE) C786G polymorphism with Alzheimer's disease." Brain Res 961(1):

88-91.

Liu, K., R. W. Doms, et al. (2002). "Glu11 site cleavage and N-terminally truncated A

beta production upon BACE overexpression." Biochemistry 41(9): 3128-36.

Lomize, A. L., I. D. Pogozheva, et al. (1999). "Structural organization of G-protein-

coupled receptors." J Comput Aided Mol Des 13(4): 325-53.

Lullau, E., A. Kanttinen, et al. (2003). "Comparison of batch and perfusion culture in

combination with pilot-scale expanded bed purification for the production of

soluble recombinant beta-secretase." Biotechnol Prog 19(1): 37-44.

Luo, W. J., H. Wang, et al. (2003). "PEN-2 and APH-1 coordinately regulate

proteolytic processing of presenilin 1." J Biol Chem 278(10): 7850-4.

Luo, Y., B. Bolon, et al. (2001). "Mice deficient in BACE1, the Alzheimer's beta-

secretase, have normal phenotype and abolished beta-amyloid generation." Nat

Neurosci 4(3): 231-2.

Marambaud, P., J. Shioi, et al. (2002). "A presenilin-1/gamma-secretase cleavage

releases the E-cadherin intracellular domain and regulates disassembly of

adherens junctions." Embo J 21(8): 1948-56.

Mattson, M. P., S. L. Chan, et al. (2001). "Presenilin mutations and calcium signaling

defects in the nervous and immune systems." Bioessays 23(8): 733-44.

May, P., Y. K. Reddy, et al. (2002). "Proteolytic processing of low density lipoprotein

receptor-related protein mediates regulated release of its intracellular domain."

J Biol Chem 277(21): 18736-43.

Medina, M. and C. G. Dotti (2003). "RIPped out by presenilin-dependent gamma-

secretase." Cell Signal 15(9): 829-41.

Page 151: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

138

Murakami, D., I. Okamoto, et al. (2003). "Presenilin-dependent gamma-secretase

activity mediates the intramembranous cleavage of CD44." Oncogene 22(10):

1511-6.

Murphy, T., A. Yip, et al. (2001). "The BACE gene: genomic structure and candidate

gene study in late-onset Alzheimer's disease." Neuroreport 12(3): 631-4.

Nakai, T., A. Yamasaki, et al. (1999). "Membrane topology of Alzheimer's disease-

related presenilin 1. Evidence for the existence of a molecular species with a

seven membrane-spanning and one membrane-embedded structure." J Biol

Chem 274(33): 23647-58.

Nicolaou, M., Y. Q. Song, et al. (2001). "Mutations in the open reading frame of the

beta-site APP cleaving enzyme (BACE) locus are not a common cause of

Alzheimer's disease." Neurogenetics 3(4): 203-6.

Nunan, J. and D. H. Small (2002). "Proteolytic processing of the amyloid-beta protein

precursor of Alzheimer's disease." Essays Biochem 38: 37-49.

Nyabi, O., M. Bentahir, et al. (2003). "Presenilins mutated at Asp257 or Asp385

restore Pen-2 expression and Nicastrin glycosylation but remain catalytically

inactive in the absence of wild type Presenilin." J Biol Chem.

Okochi, M., K. Ishii, et al. (1997). "Proteolytic processing of presenilin-1 (PS-1) is

not associated with Alzheimer's disease with or without PS-1 mutations."

FEBS Lett 418(1-2): 162-6.

Pasternak, S. H., R. D. Bagshaw, et al. (2003). "Presenilin, Nicastrin and Beta-

Amyloid Production in the Endosomal/ Lysosomal System: Toward a

Unifying Model of Alzheimer's Disease." J Biol Chem.

Petanceska, S. S., M. Seeger, et al. (2000). "Mutant presenilin 1 increases the levels of

Alzheimer amyloid beta- peptide Abeta42 in late compartments of the

constitutive secretory pathway." J Neurochem 74(5): 1878-84.

Pitsi, D., P. Kienlen-Campard, et al. (2002). "Failure of the interaction between

presenilin 1 and the substrate of gamma-secretase to produce Abeta in insect

cells." J Neurochem 83(2): 390-9.

Podlisny, M. B., M. Citron, et al. (1997). "Presenilin proteins undergo heterogeneous

endoproteolysis between Thr291 and Ala299 and occur as stable N- and C-

terminal fragments in normal and Alzheimer brain tissue." Neurobiol Dis 3(4):

325-37.

Page 152: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

139

Qian, S., P. Jiang, et al. (1998). "Mutant human presenilin 1 protects presenilin 1 null

mouse against embryonic lethality and elevates Abeta1-42/43 expression."

Neuron 20(3): 611-7.

Ratovitski, T., H. H. Slunt, et al. (1997). "Endoproteolytic processing and stabilization

of wild-type and mutant presenilin." J Biol Chem 272(39): 24536-41.

Ray, W. J., M. Yao, et al. (1999). "Evidence for a physical interaction between

presenilin and Notch." Proc Natl Acad Sci U S A 96(6): 3263-8.

Richter, C., T. Tanaka, et al. (1998). "Mechanism of activation of the gastric aspartic

proteinases: pepsinogen, progastricsin and prochymosin." Biochem J 335 ( Pt

3): 481-90.

Robakis, N. K., N. Ramakrishna, et al. (1987). "Molecular cloning and

characterization of a cDNA encoding the cerebrovascular and the neuritic

plaque amyloid peptides." Proc Natl Acad Sci U S A 84(12): 4190-4.

Roberds, S. L., J. Anderson, et al. (2001). "BACE knockout mice are healthy despite

lacking the primary beta-secretase activity in brain: implications for

Alzheimer's disease therapeutics." Hum Mol Genet 10(12): 1317-24.

Rocchi, A., S. Pellegrini, et al. (2003). "Causative and susceptibility genes for

Alzheimer's disease: a review." Brain Res Bull 61(1): 1-24.

Rogaev, E. I., R. Sherrington, et al. (1995). "Familial Alzheimer's disease in kindreds

with missense mutations in a gene on chromosome 1 related to the Alzheimer's

disease type 3 gene." Nature 376(6543): 775-8.

Russo, C., G. Schettini, et al. (2000). "Presenilin-1 mutations in Alzheimer's disease."

Nature 405(6786): 531-2.

Salib, E. (2000). "Risk factors for Alzheimer's disease." Elder Care 11(10): 12-5.

Sato, N., K. Imaizumi, et al. (2001). "Increased production of beta-amyloid and

vulnerability to endoplasmic reticulum stress by an aberrant spliced form of

presenilin 2." J Biol Chem 276(3): 2108-14.

Saura, C. A., T. Tomita, et al. (1999). "Evidence that intramolecular associations

between presenilin domains are obligatory for endoproteolytic processing." J

Biol Chem 274(20): 13818-23.

Scheuner, D., C. Eckman, et al. (1996). "Secreted amyloid beta-protein similar to that

in the senile plaques of Alzheimer's disease is increased in vivo by the

Page 153: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

140

presenilin 1 and 2 and APP mutations linked to familial Alzheimer's disease."

Nat Med 2(8): 864-70.

Scholefield, Z., E. A. Yates, et al. (2003). "Heparan sulfate regulates amyloid

precursor protein processing by BACE1, the Alzheimer's {beta}-secretase." J

Cell Biol 163(1): 97-107.

Schoneberg, T., G. Schultz, et al. (1999). "Structural basis of G protein-coupled

receptor function." Mol Cell Endocrinol 151(1-2): 181-93.

Schulz, J. G., W. Annaert, et al. (2003). "Syndecan 3 intramembrane proteolysis is

presenilin/gamma -secretase-dependent and modulates cytosolic signaling." J

Biol Chem.

Selkoe, D. J. (1999). "Translating cell biology into therapeutic advances in

Alzheimer's disease." Nature 399(6738 Suppl): A23-31.

Selkoe, D. J. (2000). "Notch and presenilins in vertebrates and invertebrates:

implications for neuronal development and degeneration." Curr Opin

Neurobiol 10(1): 50-7.

Selkoe, D. J. (2001). "Alzheimer's disease: genes, proteins, and therapy." Physiol Rev

81(2): 741-66.

Selkoe, D. J. and M. S. Wolfe (2000). "In search of gamma-secretase: presenilin at the

cutting edge." Proc Natl Acad Sci U S A 97(11): 5690-2.

Shen, J., R. T. Bronson, et al. (1997). "Skeletal and CNS defects in Presenilin-1-

deficient mice." Cell 89(4): 629-39.

Sherrington, R., S. Froelich, et al. (1996). "Alzheimer's disease associated with

mutations in presenilin 2 is rare and variably penetrant." Hum Mol Genet 5(7):

985-8.

Sherrington, R., E. I. Rogaev, et al. (1995). "Cloning of a gene bearing missense

mutations in early-onset familial Alzheimer's disease." Nature 375(6534): 754-

60.

Shi, X. P., E. Chen, et al. (2001). "The pro domain of beta-secretase does not confer

strict zymogen-like properties but does assist proper folding of the protease

domain." J Biol Chem 276(13): 10366-73.

Shi, X. P., K. Tugusheva, et al. (2003). "{beta}-Secretase Cleavage at Amino Acid

Residue 34 in the Amyloid {beta} Peptide Is Dependent upon {gamma}-

Secretase Activity." J Biol Chem 278(23): 21286-21294.

Page 154: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

141

Sinha, S. (2002). "The role of beta-amyloid in Alzheimer's disease." Med Clin North

Am 86(3): 629-39.

Sinha, S., J. P. Anderson, et al. (1999). "Purification and cloning of amyloid precursor

protein beta-secretase from human brain." Nature 402(6761): 537-40.

Sinha, S. and I. Lieberburg (1999). "Cellular mechanisms of beta-amyloid production

and secretion." Proc Natl Acad Sci U S A 96(20): 11049-53.

Small, D. H. (2001). "The role of presenilins in gamma-secretase activity: catalyst or

cofactor?" J Neurochem 76(6): 1612-4.

Sommer, B. (2002). "Alzheimer's disease and the amyloid cascade hypothesis: ten

years on." Curr Opin Pharmacol 2(1): 87-92.

Song, S., M. Ohba, et al. (2000). "Proteolytic processing and degradation of human

presenilin-1 expressed in yeast." Neurosci Lett 282(1-2): 65-8.

Steiner, H., A. Capell, et al. (1998). "Expression of Alzheimer's disease-associated

presenilin-1 is controlled by proteolytic degradation and complex formation."

J Biol Chem 273(48): 32322-31.

Steiner, H. and C. Haass (2000). "Intramembrane proteolysis by presenilins." Nat Rev

Mol Cell Biol 1(3): 217-24.

Steiner, H., E. Winkler, et al. (2002). "PEN-2 is an integral component of the gamma-

secretase complex required for coordinated expression of presenilin and

nicastrin." J Biol Chem 277(42): 39062-5.

Steinhilb, M. L., R. S. Turner, et al. (2002). "ELISA analysis of beta-secretase

cleavage of the Swedish amyloid precursor protein in the secretory and

endocytic pathways." J Neurochem 80(6): 1019-28.

Sudoh, S., Y. Kawamura, et al. (1998). "Presenilin 1 mutations linked to familial

Alzheimer's disease increase the intracellular levels of amyloid beta-protein 1-

42 and its N-terminally truncated variant(s) which are generated at distinct

sites." J Neurochem 71(4): 1535-43.

Takasugi, N., T. Tomita, et al. (2003). "The role of presenilin cofactors in the gamma-

secretase complex." Nature 422(6930): 438-41.

Tandon, A. and P. Fraser (2002). "The presenilins." Genome Biol 3(11): reviews3014.

Tekirian, T. L. (2001). "Commentary: Abeta N- Terminal Isoforms: Critical

contributors in the course of AD pathophysiology." J Alzheimers Dis 3(2):

241-248.

Page 155: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

142

Thinakaran, G. (2001). "Metabolism of presenilins." J Mol Neurosci 17(2): 183-92.

Thinakaran, G., D. R. Borchelt, et al. (1996). "Endoproteolysis of presenilin 1 and

accumulation of processed derivatives in vivo." Neuron 17(1): 181-90.

Thinakaran, G., J. B. Regard, et al. (1998). "Stable association of presenilin

derivatives and absence of presenilin interactions with APP." Neurobiol Dis

4(6): 438-53.

Tomita, T., R. Takikawa, et al. (1999). "C terminus of presenilin is required for

overproduction of amyloidogenic Abeta42 through stabilization and

endoproteolysis of presenilin." J Neurosci 19(24): 10627-34.

Tomita, T., T. Watabiki, et al. (2001). "The first proline of PALP motif at the C

terminus of presenilins is obligatory for stabilization, complex formation, and

gamma-secretase activities of presenilins." J Biol Chem 276(35): 33273-81.

Torreilles, F. and J. Touchon (2002). "Pathogenic theories and intrathecal analysis of

the sporadic form of Alzheimer's disease." Prog Neurobiol 66(3): 191-203.

Tyler, S. J., D. Dawbarn, et al. (2002). "alpha- and beta-secretase: profound changes

in Alzheimer's disease." Biochem Biophys Res Commun 299(3): 373-6.

Van Gassen, G. and W. Annaert (2003). "Amyloid, presenilins, and Alzheimer's

disease." Neuroscientist 9(2): 117-26.

Van Gassen, G., C. De Jonghe, et al. (1999). "Alzheimer's disease associated

presenilin 1 interacts with HC5 and ZETA, subunits of the catalytic 20S

proteasome." Neurobiol Dis 6(5): 376-91.

Vassar, R. (2001). "The beta-secretase, BACE: a prime drug target for Alzheimer's

disease." J Mol Neurosci 17(2): 157-70.

Vassar, R., B. D. Bennett, et al. (1999). "Beta-secretase cleavage of Alzheimer's

amyloid precursor protein by the transmembrane aspartic protease BACE."

Science 286(5440): 735-41.

Walsh, D. M., J. V. Fadeeva, et al. (2003). "gamma-Secretase cleavage and binding to

FE65 regulate the nuclear translocation of the intracellular C-terminal domain

(ICD) of the APP family of proteins." Biochemistry 42(22): 6664-73.

Walter, J., A. Capell, et al. (1996). "The Alzheimer's disease-associated presenilins

are differentially phosphorylated proteins located predominantly within the

endoplasmic reticulum." Mol Med 2(6): 673-91.

Page 156: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

143

Wilson, C. A., R. W. Doms, et al. (2002). "Presenilins are not required for Abeta42

production in the early secretory pathway." Nat Neurosci 29: 29.

Wolfe, M. S. (2001). "gamma-Secretase inhibitors as molecular probes of presenilin

function." J Mol Neurosci 17(2): 199-204.

Wolfe, M. S. (2003). "{gamma}-Secretase--Intramembrane Protease with a

Complex." Sci Aging Knowl Environ 2003(11): PE7.

Wolfe, M. S., W. Xia, et al. (1999). "Two transmembrane aspartates in presenilin-1

required for presenilin endoproteolysis and gamma-secretase activity." Nature

398(6727): 513-7.

Wolozin, B., P. Alexander, et al. (1998). "Regulation of apoptosis by presenilin 1."

Neurobiol Aging 19(1 Suppl): S23-7.

Wong, P. C., H. Zheng, et al. (1997). "Presenilin 1 is required for Notch1 and DII1

expression in the paraxial mesoderm." Nature 387(6630): 288-92.

Xia, W. (2001). "Amyloid metabolism and secretases in Alzheimer's disease." Curr

Neurol Neurosci Rep 1(5): 422-7.

Xia, W. and M. S. Wolfe (2003). "Intramembrane proteolysis by presenilin and

presenilin-like proteases." J Cell Sci 116(Pt 14): 2839-44.

Yan, R., M. J. Bienkowski, et al. (1999). "Membrane-anchored aspartyl protease with

Alzheimer's disease beta-secretase activity." Nature 402(6761): 533-7.

Yan, R., P. Han, et al. (2001). "The transmembrane domain of the Alzheimer's beta-

secretase (BACE1) determines its late Golgi localization and access to beta -

amyloid precursor protein (APP) substrate." J Biol Chem 276(39): 36788-96.

Yang, D. S., A. Tandon, et al. (2002). "Mature glycosylation and trafficking of

nicastrin modulate its binding to presenilins." J Biol Chem 277(31): 28135-42.

Yu, G., F. Chen, et al. (1998). "The presenilin 1 protein is a component of a high

molecular weight intracellular complex that contains beta-catenin." J Biol

Chem 273(26): 16470-5.

Yu, G., M. Nishimura, et al. (2000). "Nicastrin modulates presenilin-mediated

notch/glp-1 signal transduction and betaAPP processing." Nature 407(6800):

48-54.

Zhang, H., H. Komano, et al. (1994). "Proteolytic processing and secretion of human

beta-amyloid precursor protein in yeast. Evidence for a yeast secretase

activity." J Biol Chem 269(45): 27799-802.

Page 157: ANALYSE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DE LA … · secrétase étroitement liée à la formation des peptides β-amyloïdes neurotoxiques. Nous avons étudié l’organisation structurale

144

Zhang, J., D. E. Kang, et al. (1998). "Subcellular distribution and turnover of

presenilins in transfected cells." J Biol Chem 273(20): 12436-42.

Zhang, Z., P. Nadeau, et al. (2000). "Presenilins are required for gamma-secretase

cleavage of beta-APP and transmembrane cleavage of Notch-1." Nat Cell Biol

2(7): 463-5.

Zhou, Y., W. Zhang, et al. (2002). "Presenilin-1 protects against neuronal apoptosis

caused by its interacting protein PAG." Neurobiol Dis 9(2): 126-38.

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ANNEXE 1

RÉSULTATS COMPLÉMENTAIRES

Résumé

Les résultats présentés ci-dessous apportent des éléments pertinents à l’atteinte de

mon deuxième objectif de travail qui avait pour but, entre autre, de déterminer si la

PS1 possède une activité intrinsèque γ-secrétase. Ces expériences ont été réalisées en

levure dont certains résultats sont présentés aux chapitres 5 et 6.

Introduction

Le peptide neurotoxique amyloïde-β42 est généré suite à un clivage séquentiel de

AβPP par deux enzymes, soit la β- et la γ-secrétase (Xia, W. (2001). On a

nouvellement cloné et caractérisé BACE, la β-secrétase impliquée dans le premier

clivage (Hussain, Powell et al. 1999; Sinha, Anderson et al. 1999; Vassar, Bennett et

al. 1999; Yan, Bienkowski et al. 1999). Jusqu’à présent, on n’a pu identifier avec

précision la γ-secrétase. Toutefois, il existe une forte corrélation entre l’activité γ-

secrétase et la présence de PS1. Par exemple, les souris à mutation nulle (knock-out)

pour PS1 ne présentent pas d’activité γ-secrétase et, par conséquent, pas

d’accumulation du peptide Aβ42 (Xia, W. 2001). À l’inverse, plusieurs lignées de

souris transgéniques dans lesquelles la PS1 normale ou mutante est surexprimée au

cerveau ont été créées. Toutes les lignées mutantes, contrairement aux normales,

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présentent une augmentation de la production du peptide Aβ42 au cerveau (Citron,

M., D. Westaway, et al. 1997). Contrairement à BACE, il n’a pas été possible de

démontrer clairement une activité enzymatique intrinsèque pour PS1 in vivo ni in

vitro; faute d’essai enzymatique convenable. Pour cette raison, je vais prendre

comme modèle biologique la levure afin de développer un essai enzymatique in vivo

pour la β- et la γ-secretase. Le substrat choisi pour cette étude est la protéine AβPP.

Matériels et méthodes

Dans un premier temps, les ADNc correspondants aux protéines humaines suivantes:

1) PS1 pleine longueur normale 2) BACE et 3) AβPP ont été clonées dans les

vecteurs pGBKT7 et/ou pGADT7 (Clontech) (Figure 9). Par la suite, ces

constructions ont été co-transformées dans la souche de levure AH109 (Clontech).

Différentes combinaisons plasmidiques ont été testées (par exemple : pGBKT7/AβPP

+ pGADT7/BACE ou pGBKT7/AβPP + pGADT7/PS1). Par croissance sur un milieu

sélectif, il a été possible de cribler les colonies positives (méthodes décrites par le

manufacturier) et de vérifier, par immunobuvardage, la présence des protéines

d’intérêt8 dans un clone positif donné. Or, cette approche a permit d’évaluer si la PS1

possède une activité γ-secrétase intrinsèque. En effet, par immunobuvardage avec des

anticorps spécifiques à l’AβPP, il a été possible de vérifier si l’AβPP subit un clivage

endoprotéolytique lorsque co-exprimée avec la BACE et/ou la PS1) (Figures 10).

8 Hébert, S.S. (2002) Résultats non publiés et Figure 11

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Figure 9 Les vecteurs « BD-matchmakers™ » utilisés dans le système « Two-Hybrid system 3 » de Clontech. Le vecteur pGBKT7 (en haut) contient le domaine de liaison à l’ADN (« DNA-BD ») qui code pour les acides aminés 1-147 de la protéine de fusion GAL4. Le vecteur pGADT7 (en bas) permet l’expression de l’autre protéine d’intérêt fusionnée aux acides aminés 768-881 du domaine d’activation GAL4 (« AD »). Le promoteur ADH1 assure une expression élevée des protéines de fusions GAL4 DNA-BD et AD (donc des protéines d’intérêt). Dépendamment du vecteur utilisé, les protéines d’intérêt sont fusionnés aux épitopes Myc (dans le cas de pGBKT7) ou HA (dans le cas de pGADT7). De plus, les sites de clonage multiple (« MCS, Multiple Cloning Site ») des vecteurs respectifs sont illustrés (à droite).

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Figure 10. Stratégie utilisée pour étudier le métabolisme de l’AβPP dans la levure. Des études de co-expression en levure permettent de déterminer les propriétés catalytiques des protéines impliquées dans le métabolisme de l’Aβ (par immunobuvardage avec les anticorps anti-myc, anti-V5 ou anti-Aβ). Par exemple, la co-expression de l’AβPP et la PS1 (normale ou mutée) en levure permet de déterminer si PS1 peut bel et bien cliver l’AβPP, et ce, par observation des métabolites AβPP produits.

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Résultats

Figure 11. Métabolisme de la protéine AβPP dans la levure. Immunobuvardages représentatifs démontrant l’expression des protéines AβPP, PS1 et BACE (en fusion avec la protéine « DNA-BD » du vecteur pGBKT7 (Clontech) d’un poids approximatif de 23 kDa en levure AH109. Différentes combinaisons de co-transformation ont été testées (ex : pGBKT7/AβPP + pGADT7/BACE). Dans le cas d’une triple transformation (AβPP, PS1 et BACE), la sélection des transformants (clones) positifs en levure s’est effectuée par PCR (non montré). Les contrôles d’immunobuvardages incluent des extraits de protéines de levure de la souche vide (AH109) ou en présence du vecteur d’expression vide (pGBKT7). D’autres tests visant à déterminer la production des peptides amyloïdes (avec l’anti-Aβ) furent effectués mais se sont avérés négatifs (non montrés).

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Interprétations, conclusion et perspectives

Dans un premier temps, l’ensemble des résultats présentés dans ce chapitre démontre

que toutes les protéines testées (AβPP, BACE et PS1) peuvent être surexprimées en

levure (Figure 10). Toutefois, ni BACE ni PS1 ne semble subir de modifications

post-traductionnelles telles qu’observées dans la cellule (Benjannet, Elagoz et al.

2001; Thinakaran 2001). Par exemple, il n’y a aucune libération du pro-domaine de

BACE9, tel qu’observé par son poids moléculaire d’environ 90 kDa. De plus, nous

n’observons aucun clivage endoprotéolytique pour la PS1, tel qu’observé par la

présence de l’holoprotéine à environ 75 kDa.

Puisqu’il n’y a aucun homologue de la furine dans la levure (www.ncbi.nlm.nih.gov)

il n’est pas étonnant que la BACE demeure intacte. L’absence de clivage

endoprotéolytique de la PS1, tant qu’à lui, suggère qu’aucune « présénilinase »

endogène n’est présente dans la levure. De plus, cette expérience laisse supposer que

l’holoprotéine de la PS1 ne possède pas d’activité autocatalytique.

Malheureusement, il nous a été impossible d’observer clairement un clivage (soit de

type β- ou γ-) de l’AβPP en levure. Toutefois, nous croyons que ces résultats,

quoique partiels, aident à la compréhension des mécanismes protéolytiques entourant

la production des peptides amyloïdes in vivo. Par exemple, notre démonstration que

la présence du pro-domaine de BACE nuit au clivage β de l’AβPP nous suggère qu’il

existe bel et bien un rôle fonctionnel de celui-ci dans la régulation de l’enzyme. En

perspective, il serait intéressant d’évaluer les propriétés enzymatiques du mutant

BACE ∆pro-domaine (décrit au chapitre 6 et [(Benjannet, Elagoz et al. 2001; Shi,

Chen et al. 2001)]) en levure. Il serait ainsi possible d’évaluer, toujours par

immunobuvardage, si BACE « mature » peut cliver l’AβPP. Aussi, il est possible

9 Et, dans ce cas-ci, du domaine de liaison à l’ADN (« DNA-BD »).

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d’imaginer que la présence du domaine d’activation à l’ADN (« AD »), provenant du

vecteur d’expression pGADT7 (Figure 9), nuit à l’activité de la BACE. Donc, il

serait intéressant d’évaluer les propriétés biologiques et enzymatiques de la BACE

exprimée d’un vecteur ne contenant aucune protéine de fusion (ex : domaine de

liaison/activation à l’ADN et/ou épitopes).

En résumé, les résultats présentés dans ce chapitre ont clairement démontré que les

protéines impliquées dans le métabolisme de l’Aβ peuvent être exprimées en levure.

A part quelques rectifications concernant le système d’expression (vecteurs) utilisé,

nous croyons que la levure est un modèle biologique de choix pour étudier le rôle des

secrétases dans la génération des peptides amyloïdes neurotoxiques. Cette hypothèse

est fortement appuyée par la démonstration récente de la reconstitution artificielle du

clivage γ-secrétase dans la levure à partir du complexe γ-secrétase (co-expression des

protéines préséniline-1, Nicastrine, Aph-1 et Pen-210) et le fragment C99 de l’AβPP

(Edbauer, Winkler et al. 2003). De plus, le système double hybride en levure

permettra une approche pour la caractérisation future des interactions

protéines:protéines nécessaires à la production des peptides amyloïdes neurotoxiques.

10 Note : Dans cette étude, les protéines ne contenaient pas de domaine de liaison/d’activation à l’ADN.

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ANNEXE 2

Mutations de la préséniline-2. Schéma (non à l’échelle) des mutations (acides

aminés en rouge) menant à une forme familiale de la maladie d’Alzheimer dans le

gène préséniline-2 (PS2). (Image adaptée de John Hardy, National Institute on Aging,

Bethesda, MD)

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ANNEXE 3

Les acides aminés et leurs symboles.

ACIDES AMINÉS CODONS

A Ala Alanine GCA GCC GCG GCTC

C Cys Cystéine TGC TGT

D Asp Aspartate GAC GAT

E Glu Glutamate GAA GAG

F Phe Phénylalanine TTC TTT

G Gly Glycine GGA GGC GGG GGT

H His Histidine CAC CAT

I Ile Isoleucine ATA ATC ATT

K Lys Lysine AAA AAG

L Leu Leucine TTA TTG CTA CTC CTG CTT

M Met Méthionine ATG

N Asn Asparagine AAC AAT

P Pro Proline CCA CCC CCG CCT

Q Gln Glutamine CAA CAG

R Arg Arginine AGA AGG CGA CGC CGG CGT

S Ser Sérine AGC AGT TCA TCC TCG TCT

T Thr Thréonine ACA ACC ACG ACT

V Val Valine GTA GTC GTG GTT

W Trp Tryptophane TGG

Y Tyr Tyrosine TAC TAT