Amyloid beta peptide (Abeta) is the major constituent of extracellular plaques and perivascular amyloid deposits, the pathognomonic neuropathological lesions of Alzheimer's disease. Cu(2+) and Zn(2+) bind Abeta, inducing aggregation and giving rise to reactive oxygen species. These reactions may play a deleterious role in the disease state, because high concentrations of iron, copper, and zinc have been located in amyloid in diseased brains. Here we show that coordination of metal ions to Abeta is the same in both aqueous solution and lipid environments, with His(6), His(13), and His(14) all involved. At Cu(2+)/peptide molar ratios >0.3, Abeta coordinated a second Cu(2+) atom in a highly cooperative manner. This effect was abolished if the histidine residues were methylated at N(epsilon)2, indicating the presence of bridging histidine residues, as found in the active site of superoxide dismutase. Addition of Cu(2+) or Zn(2+) to Abeta in a negatively charged lipid environment caused a conformational change from beta-sheet to alpha-helix, accompanied by peptide oligomerization and membrane penetration. These results suggest that metal binding to Abeta generated an allosterically ordered membrane-penetrating oligomer linked by superoxide dismutase-like bridging histidine residues.

Summary

 As a disease-modifying approach for Alzheimer's disease (AD), clioquinol (CQ) targets β-amyloid (Aß) reactions with synaptic Zn and Cu yet promotes metal uptake. Here we characterize the second-generation 8-hydroxy quinoline analog PBT2, which also targets metal-induced aggregation of Aß, but is more effective as a Zn/Cu ionophore and has greater blood-brain barrier permeability. Given orally to two types of amyloid-bearing transgenic mouse models of AD, PBT2 outperformed CQ by markedly decreasing soluble interstitial brain Aß within hours and improving cognitive performance to exceed that of normal littermate controls within days. Nontransgenic mice were unaffected by PBT2. The current data demonstrate that ionophore activity, inhibition of in vitro metal-mediated Aß reactions, and blood-brain barrier permeability are indices that predict a potential disease-modifying drug for AD. The speed of recovery of the animals underscores the acutely reversible nature of the cognitive deficits associated with transgenic models of AD.

Alzheimer's Disease (AD) is complicated by pro-oxidant intraneuronal Fe2+ elevation as well as extracellular Zn2+ accumulation within amyloid plaque. We found that the AD β-amyloid protein precursor (APP) possesses ferroxidase activity mediated by a conserved H-ferritin-like active site, which is inhibited specifically by Zn2+. Like ceruloplasmin, APP catalytically oxidizes Fe2+, loads Fe3+ into transferrin, and has a major interaction with ferroportin in HEK293T cells (that lack ceruloplasmin) and in human cortical tissue. Ablation of APP in HEK293T cells and primary neurons induces marked iron retention, whereas increasing APP695 promotes iron export. Unlike normal mice, APP−/− mice are vulnerable to dietary iron exposure, which causes Fe2+ accumulation and oxidative stress in cortical neurons. Paralleling iron accumulation, APP ferroxidase activity in AD postmortem neocortex is inhibited by endogenous Zn2+, which we demonstrate can originate from Zn2+-laden amyloid aggregates and correlates with Aβ burden. Abnormal exchange of cortical zinc may link amyloid pathology with neuronal iron accumulation in AD.

Pyroglutamate-modified amyloid-β (pE-Aβ) is a highly neurotoxic amyloid-β (Aβ) isoform and is enriched in the brains of individuals with Alzheimer disease compared with healthy aged controls. Pyroglutamate formation increases the rate of Aβ oligomerization and alters the interactions of Aβ with Cu2+ and lipids; however, a link between these properties and the toxicity of pE-Aβ peptides has not been established. We report here that Aβ3pE-42 has an enhanced capacity to cause lipid peroxidation in primary cortical mouse neurons compared with the full-length isoform (Aβ(1–42)). In contrast, Aβ(1–42) caused a significant elevation in cytosolic reactive oxygen species, whereas Aβ3pE-42 did not. We also report that Aβ3pE-42 preferentially associates with neuronal membranes and triggers Ca2+ influx that can be partially blocked by the N-methyl-d-aspartate receptor antagonist MK-801. Aβ3pE-42 further caused a loss of plasma membrane integrity and remained bound to neurons at significantly higher levels than Aβ(1–42) over extended incubations. Pyroglutamate formation was additionally found to increase the relative efficiency of Aβ-dityrosine oligomer formation mediated by copper-redox cycling. Pyroglutamate-modified amyloid-β (pE-Aβ) is a highly neurotoxic amyloid-β (Aβ) isoform and is enriched in the brains of individuals with Alzheimer disease compared with healthy aged controls. Pyroglutamate formation increases the rate of Aβ oligomerization and alters the interactions of Aβ with Cu2+ and lipids; however, a link between these properties and the toxicity of pE-Aβ peptides has not been established. We report here that Aβ3pE-42 has an enhanced capacity to cause lipid peroxidation in primary cortical mouse neurons compared with the full-length isoform (Aβ(1–42)). In contrast, Aβ(1–42) caused a significant elevation in cytosolic reactive oxygen species, whereas Aβ3pE-42 did not. We also report that Aβ3pE-42 preferentially associates with neuronal membranes and triggers Ca2+ influx that can be partially blocked by the N-methyl-d-aspartate receptor antagonist MK-801. Aβ3pE-42 further caused a loss of plasma membrane integrity and remained bound to neurons at significantly higher levels than Aβ(1–42) over extended incubations. Pyroglutamate formation was additionally found to increase the relative efficiency of Aβ-dityrosine oligomer formation mediated by copper-redox cycling.

Abstract Lipid dyshomeostasis is associated with the most common form of dementia, Alzheimer’s disease (AD). Substantial progress has been made in identifying positron emission tomography (PET) and cerebrospinal fluid (CSF) biomarkers for AD, but they have limited use as front-line, non-invasive diagnostic tools. Small extracellular vesicles (EVs) are released by all cell types and contain an enriched subset of their parental cell molecular composition, including lipids. EVs are released from the brain into the periphery, providing a potential source of tissue and disease specific lipid biomarkers. However, the EV lipidome of the central nervous system (CNS) is currently unknown and the potential of brain-derived EVs (BDEVs) to inform on lipid dyshomeostasis in AD remains unclear. The aim of this study was to reveal the lipid composition of BDEVs in human frontal cortex tissue, and to determine whether BDEVs in AD have altered lipid profiles compared to age-matched neurological controls (NC). Here, using semi-quantitative mass spectrometry, we describe the BDEV lipidome, covering 4 lipid categories, 17 lipid classes and 692 lipid molecules. Frontal cortex-derived BDEVs were enriched in glycerophosphoserine (PS) lipids, a characteristic of small EVs. Here we report that BDEVs are enriched in ether-containing PS lipids. A novel finding that further establishes ether lipids as a feature of EVs. While no significant changes were detected in the frontal cortex in AD, the lipid profile of the BDEVs from this tissue exhibited disease related differences. AD BDEVs had altered glycerophospholipid (GP) and sphingolipid (SP) levels, specifically increased plasmalogen glycerophosphoethanolamine (PE-P) and decreased polyunsaturated fatty acyl containing lipids (PUFAs), and altered amide-linked acyl chain content in sphingomyelin (SM) and ceramide (Cer) lipids relative to vesicles from neurological control subjects. The most prominent alteration being a two-fold decrease in lipid species containing docosahexaenoic acid (DHA). The in-depth lipidome analysis provided in this study highlights the advantage of EVs over more complex tissues for improved detection of dysregulated lipids that may serve as potential biomarkers in the periphery.

Abstract Extracellular vesicles (EVs) in blood plasma offer a valuable reservoir of intracellular cellular cargo, making them a promising source of liquid based biomarkers. The molecular cargo of small EVs (sEVs) is of particular interest because some EV subtypes encapsulate cargo from organelles including mitochondria, endosomes, and the autophagy pathways, which are implicated in multiple diseases. However, the complexity of plasma, with its abundance of non-EV particles and plasma proteins, presents challenges for their molecular characterization using mass spectrometry based ‘omics technologies. Here, we optimised a rigorous method to isolate sEVs from human plasma based on both density and size. Following this, we analysed the protein and lipid content of sEVs from multiple individuals. We demonstrate the advantage of obtaining highly enriched sEVs from plasma for enhancing the detection of protein networks associated with mitochondria and the endosomal network, and also tissue types including the central nervous system. Some of the EV associated proteins reported here have not been detected in plasma, nor plasma sEVs, previously. We show that sphingomyelin lipids are the most abundant lipids in plasma sEVs (33.7 mol% total lipids) and provide the first report on cholesterol ester content. We demonstrate a 16-fold decrease in cholesterol ester lipids in sEVs compared to platelet free plasma and suggest that cholesterol ester content could serve as a valuable measure for assessing the effectiveness of plasma separation protocols or kits in enriching for sEVs. Our study highlights the benefit of reducing co-isolates from plasma sEV preparations to enable the detection of proteins and lipids with potential biomarker utility, and underscores the need for ongoing development of improved high throughput sEV isolation technologies.