Proteomics-based characterization of Alzheimer's disease and gender-related platelet protein biomarkers

Abstract

Alzheimer Krankheit (AD, auch Morbus Alzheimer genannt) ist eine häufige neurodegenerative Erkrankung des Hirnes charakterisiert von einer progressiven kognitiven Beeinträchtigung und ist die häufigste Ursache von Demenz in älteren Menschen. Morbus Alzheimer ist zurzeit einer der größten medizinischen Herausforderungen des Jahrhunderts und eine weltweite Belastung für die Angehörigen, die Gesellschaft und die Wirtschaft. Mehr als ein Jahrhundert nach ihrer Entdeckung, die wichtigsten Anzeichen der Alzheimer Krankheit bleiben die senilen Plaques, bestehend aus Beta-Amyloid-Peptiden und Neurofibrillen, die aus hyperphosphoryliertes Tau-Protein entstehen. Bis zur heutigen Zeit gibt es immer noch keine effektive Therapie gegen der Alzheimer-Krankheit, weil die Symptome erst nach einer langen Phase der klinischen stillen Neurodegeneration auftreten. Deshalb wäre die Aufklärung der molekularen Pathogenese in der präklinischen Phase und die Entdeckung von zuverlässigen Biomarkern von immenser Bedeutung für die Entwicklung von Diagnostik und Therapien. Eine zusätzliche biologische Variable, die zurzeit unter intensive Erforschung steht, ist das Geschlecht. Die Notwendigkeit geschlechtsspezifische Unterschiede in der Alzheimer Krankheit aufzudecken, hat eine sehr wichtige Bedeutung für eine bessere Patientenstratifizierung und personalisierte Behandlung. Diese Studie diente der Identifikation von zuverlässigen, kognitive und geschlechtsspezifische Biomarkern für Patienten mit einer leichten kognitiven Beeinträchtigung (MCI) sowie Alzheimer-Patienten mittels zweidimensionaler Differentialgelelektrophorese (2D-DIGE) und Massenspektrometrie (MS). Im pH-Bereich 4-7, wurden 115 AD Patienten (77 Frauen und 38 Männer), 59 MCI Patienten (44 Frauen und 15 Männer) und 157 gesunde Kontrollpersonen (101 Frauen und 56 Männer) analysiert. Zusätzlich wurden 108 AD Patienten (75 Frauen und 33 Männer), 43 MCI Patienten (31 Frauen und 12 Männer) und 155 gesunde Kontrollpersonen (101 Frauen und 54 Männer) im pH-Bereich 6-9 untersucht. Das vergleichende Plättchen Protein Profil zeigte 26 signifikant veränderte Proteine in beiden pH-Bereichen von welchen 7 Proteine das Potenzial haben, passende AD Biomarkern zu sein. Diese Proteine sind in Signaltransduktion, Vesikeltransport, Axogenese, pathogene Interaktionen zwischen APOε4, Aβ und Tau-Protein, anti-oxidative Aktivität, Energiestoffwechsel, Regulation des Zytoskeletts und Nukleotidstoffwechsel involviert. Deren kognitive und geschlechtsspezifische Protein Profil verändert sich unterschiedlich, wie Rab GDP dissociation inhibitor alpha Protein Isoform mit einem pI von 4.50 (+23% in männliche AD Patienten), Alpha-synuclein (+9% in männliche AD Patienten), Superoxide dismutase 1 (+24% in männliche AD Patienten), Glutathione peroxidase 1 (-17% in männliche AD Patienten and -15% in weibliche AD Patientinnen), Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (-23% in weibliche AD Patientinnen), Moesin (+19% in weibliche MCI Patientinnen) und GMP reductase 1 (+12% in weibliche MCI Patientinnen). Diese Ergebnisse geben ein Einblick in die Komplexität von AD als eine Multiprotein-Krankheit und sollten zu einem besseren Verständnis von den grundlegenden molekularen Mechanismen führen. Allerdings findet man manche dieser Proteine ab einen gewissen Punkt auch in andere neurodegenerative Krankheiten, weswegen die Anforderung zu mehr Präzision beim Ermitteln von AD spezifischen Biomarker ein großer Fortschritt wäre. Die Untersuchung vom Plättchen Proteom nach Protein Veränderungen im präklinischen Stadium in Zusammenhang mit leicht zugängliche, ergiebige, aber nicht invasive Biomarker Quelle, wird deshalb bei der Erstellung einer frühen Diagnose mittels Bluttests entscheidend sein und weiteres bei der Entwicklung effizientere Therapien verhelfen.Alzheimer’s disease (AD) is a frequent neurodegenerative disorder of the brain characterized by progressive cognitive impairment and the most common cause of dementia in the elderly. Nowadays, AD is one of the major medical challenges of the century and a worldwide burden for relatives, society and the economy. More than a century after its discovery, the most important hallmarks of AD remain the amyloid plaques consisting of amyloid beta (Aβ) and neurofibrillary tangles (NFTs) arising from hyperphosphorylated tau protein. Yet, no effective treatment against AD is available because the onset of the symptoms becomes evident at a late stage after a long period of clinically silent neurodegeneration. Therefore, elucidating the molecular pathogenesis in the preclinical phase and the detection of reliable biomarkers is of immense relevance for diagnostic and therapeutic development. An additional biological variable that is currently under intense investigation is sex. The necessity to uncover sex differences in AD has immense importance for better patient stratification and more personalized treatments. This study aimed to identify reliable cognition and sex-related biomarkers in the platelet proteome of mild cognitive impairment (MCI) and AD patients by two-dimensional differential in-gel electrophoresis (2D-DIGE) and mass spectrometry (MS). In the pH range 4-7, 115 AD patients (77 females and 38 males), 59 MCI patients (44 females and 15 males) and 157 healthy controls (101 females and 56 males) were analysed. Additionally, 108 AD patients (75 females and 33 males), 43 MCI patients (31 females and 12 males) and 155 healthy controls (101 females and 54 males) were examined in the pH range 6-9. The comparative platelet protein profile revealed 26 significantly altered proteins in both pH ranges from which 7 proteins revealed as promising AD biomarkers. These proteins are involved in signal transduction, vesicle-mediated transport, axonogenesis, co-pathogenic interactions with APOε4, Aβ and tau, antioxidant activity, energy metabolism, cytoskeletal regulation, and nucleotide metabolism. Their cognition and sex-related protein profiles were altered as follows: Rab GDP dissociation inhibitor alpha protein species with a pI 4.50 (+23% in male AD), Alpha-synuclein (+9% in male AD), Superoxide dismutase 1 (+24% in male AD), Glutathione peroxidase 1 (-17% in male AD and -15% in female AD), Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (-23% in female AD), Moesin (+19% in female MCI) and GMP reductase 1 (+12% in female MCI). These findings give an insight into the complexity of AD as a polyproteinopathy and should help to better understand the underlying molecular mechanism. However, some of these proteins seem to converge at some point in the downstream pathway with other neurodegenerative diseases, therefore more accuracy in finding AD specific biomarkers is needed. Thus, screening the platelet proteome for protein alterations in the preclinical stage in conjunction with an easily accessible, abundant and non-invasive biomarker source will be crucial for establishing an early diagnosis via blood tests and would help to develop more effective therapies