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Modulation and Characterization of Alzheimer's Disease Associated gamma-Secretase

Narlawar, Rajeshwar :
Modulation and Characterization of Alzheimer's Disease Associated gamma-Secretase.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Modulation and Characterization of Alzheimer's Disease Associated gamma-Secretase
Language: English
Abstract:

Alzheimer’s disease (AD) is a devastating neurodegenerative disorder that causes the most common form of dementia, affecting approximately 5% of the population over the age of 65 years in Europe. Short-term memory impairment, disorientation, aphasia, and a general cognitive decline are common symptoms early in disease development. According to the World Health Organization, an estimated 37 million people worldwide currently have dementia; AD affects about 18 million of them. In spite of tremendous research efforts, there is no causal therapy for AD. Histopathological hallmarks of AD are the extracellular plaques consisting of the amyloid β-peptide (Aβ) and neurofibrillary tangles which are found in the brains of the AD patients. Aβ is heterogeneously produced by the sequential cleavages of amyloid precursor protein (APP) by the two aspartic proteases: β- and γ-secretase. Intramembrane cleavage by γ-secretase occurs with little sequence specificity, resulting in Aβ fragments of different length, predominantly Aβ40, Aβ42, and some Aβ38. Aβ42 being the most aggregatory, and is believed to trigger the amyloid cascade, a pathological series of neurotoxic events, which eventually leads to neurodegeneration and finally AD. γ-Secretase has been an attractive target in many ways for AD therapeutics since it catalyzes the final step in the release of Aβ. The present work describes the design, synthesis and biological evaluation of γ-secretase modulators, affinity probes and photoaffinity labels. Epidemiological studies have indicated a close association between prolonged use of nonsteroidal anti-inflammaroy drugs (NSAIDs), and reduced risk for AD. Therefore, cyclooxygenase (COX) inhibitors such as flurbiprofen, sulindac sulfoxide and meclofenamic acid were converted into amides and esters and anticipated that the modification of acid functionality would reduce the COX inhibitory activity while increasing the γ-secretase modulatory activity. However, the conversion of the acid moiety of COX inhibitors into their amides or esters resulted either in inverse modulation or inhibition. Further efforts were then focussed on carprofen, a COX-2 inhibitor which is approved for the use in dogs and cows. N-substitution of carprofen resulted in potent modulators of γ-secretase, and the compounds displayed little or no effect on γ-secretase cleavage at the ε-site. Knowing about the relevance of N-substitution of carprofen and the necessity of the free acid functionality for γ-secretase modulation, a series of N-substituted carbazolyloxy acetic acids was synthesized. As anticipated, they turned out to be effective modulators of γ-secretase and displayed little or no effect on γ-secretase cleavage at the ε-site. An analogous derivative of the LXR agonist TO-901317 was synthesized, but the hexafluorocarbinol moiety was replaced by an oxyacetic acid in order to transform it into a modulator of γ-secretase. As expected, the introduction of the acid moiety changed the mode of action from an inverse modulation to normal modulation of γ-secretase. A series of NSAIDs derived affinity labels was synthesized in order to identify and characterize the binding site by immunoprecipitation assay. Flurbiprofen derived photoaffinity label captured active γ-secretase complex in a dose dependant manner, but others either failed to provide a binding partner or resulted in unspecific binding. Flurbiprofen and DAPT derived photoaffnity labels were synthesized in order to investigate the binding site via covalent bond formation with the active site on the γ-secretase complex. The photaffnity labelling experiment carried out with a flurbiprofen derived photoaffnity probe revealed that it binds to the C-terminal fragment of presenilin (PS). Whereas, DAPT derived photoaffinity label displayed very weak binding to PS, the active site of γ-secretase.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Alzheimer-Demenz (AD) ist eine verheerende, neurodegenerative Funktionsstörung, die die häufigste Form der Demenz darstellt und etwa 5% der Bevölkerung über 65 in Europa befällt. Bekannte Symptome in der frühen Krankheitsphase sind die Beeinträchtigung des Kurzzeitgedächtnisses, Orientierungslosigkeit, Aphemie sowie eine generelle Verschlechterung der Wahrnehmung. Laut Schätzungen der Weltgesundheitsbehörde leiden 37 Millionen Menschen weltweit an einer Demenz: 18 Millionen davon an AD. Trotz gewaltiger Forschungsbemühungen gibt es keine Kausaltherapie für die AD. Histopathologische Kennzeichen sind die extrazellulären Plaques, die aus amyloiden β-Peptiden (Aβ) bestehen sowie die Neurofibrillären Bündel, die in den Gehirnen von Alzheimerpatienten gefunden wurden. Aβ wird durch die sequentielle Spaltung des amyloiden Vorläuferproteins (APP) durch zwei Aspartylproteasen, β- and γ-Sekretase, erzeugt. Eine Intramembranspaltung durch die γ-Sekretase erfolgt mit geringer Sequenzspezifität und resultiert in verschiedenen Aβ-Fragmenten unterschiedlicher Länge, vorwiegend Aβ40, Aβ42 und etwas Aβ38. Aβ42 neigt am stärksten zur Aggregation und man nimmt an, dass es die Amyloidkaskade, eine pathologische Abfolge an neurotoxischen Abläufen, die zur Neurodegeneration und schließlich zur AD führt, auslöst. Die γ-Sekretase stellt durch die Freisetzung von Aβ ein attraktives Zielmolekül für eine Kausaltherapie von AD dar. Die vorliegende Arbeit beschreibt das Design, die Synthese und die biologische Wirkuntersuchung von γ-Sekretasemodulatoren, Affinitätsproben und Photoaffinitätsmarkern. Epidemiologische Studien implizieren einen engen Zusammenhang zwischen einem längerfristigen Einsatz von nichtsteroidalen Antirheumatika (NSAIDs) und einem verminderten Risiko für AD. Folglich wurden Cyclooxygenaseinhibitoren (COX-Inhibitoren) wie Flurbiprofen, Sulindac-Sulfoxid und Meclofenaminsäure in Amide und Ester umgewandelt and postuliert, dass die Modifizierung der Säurefunktion die COX-inhibierende Aktivität verringert und die γ-Sekretase-modulierende Aktivität erhöht. Die Umwandlung der Säurefunktion dieser COX-Inhibitoren in ihre Amide oder Ester resultierte entweder in inverser Modulation oder in einer vollständigen Hemmung. Weitere Bemühungen wurden schließlich auf Carprofen, einem COX-2-Inhibitor, zugelassen für den Einsatz bei Hunden und Kühen, gerichtet. Eine N-Substitution von Carprofen resultierte in potenten Modulatoren der γ-Sekretase, und die Verbindungen zeigten nur eine geringe oder keine Wirkung auf die γ-Sekretase-Spaltung der ε-Schnittstelle. Mit dem Wissen um die Bedeutung der N-Substitution von Carprofen und der Notwendigkeit der freien Säure auf die γ-Sekretase-Modulation wurde eine Serie an N-substituierten Carbazolyloxy-Ethansäuren synthetisiert. Wie erwartet stellten sie sich als effektive Modulatoren der γ-Sekrase heraus und zeigten keine oder nur eine geringe Wirkung auf die γ-Sekretase-Spaltung der ε-Schnittstelle. Weiterhin wurde ein analoges Derivat des LXR-Agonisten TO-901317 synthetisiert. Die Hexafluormethanol-Funktion wurde jedoch durch eine Oxyethansäure ersetzt um einen Modulator der γ-Sekretase zu erhalten. Wie erwartet änderte die Einführung der Säurefunktion die Wirkungsweise der γ-Sekretase von inverser zu normaler Modulation. Um die Bindungsstelle durch Immunpräzipitationsexperimente zu bestimmen, wurde eine Serie an von NSAIDs abgeleiteten Affinitätslabeln synthetisiert. Ein von Flurbiprofen abgeleiteter Photoaffinitätsmarker markierte zwar den aktiven γ-Sekretasekomplex dosisabhänging, jedoch gelang wegen unspezifischer Bindung nicht den direkten Bindungspartner zu identifizieren. Flurbiprofen- und DAPT-abgeleitete Photoaffinitätslabel wurden hergestellt um die Bindungsstelle in der Nähe des aktiven Zentrums des γ-Sekretasekomplexes zu bestimmen Das Photoaffinitätsexperiment mit einer von Flurbiprofen abgeleiteten Photoaffinitätsprobe zeigte, dass es an das C-terminale Fragment von Presenilin (PS) bindet. Die DAPT-abgeleitete Photoaffinitätsprobe zeigte hingegen eine sehr schwache Bindung an PS, der aktive Zentrum der γ-Sekretase.German
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Affinity Labels, Photoaffinty labels, Modulators, Alzheimer's DiseaseEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: Fachbereich Chemie
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000954
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-9548
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Reggelin, Prof. Dr. Michael and Dinse, Prof. Dr. Klaus-Peter
Advisors: Schmidt, Prof. Dr. Boris
Refereed: 16 July 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/954
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