beta-Amyloid is a 39- to 43-amino-acid neurotoxic peptide that aggregates to form the core of Alzheimer disease-associated senile (amyloid) plaques. No satisfactory hypothesis has yet been proposed to explain the mechanism of beta-amyloid aggregation and toxicity. We present mass spectrometric and electron paramagnetic resonance spin trapping evidence that beta-amyloid, in aqueous solution, fragments and generates free radical peptides. beta-Amyloid fragments, at concentrations that previously have been shown to be neurotoxic to cultured neurons, can inactivate oxidation-sensitive glutamine synthetase and creatine kinase enzymes. Also, salicylate hydroxylation assays indicate that reactive oxygen species are generated by the beta-amyloid-(25-35) fragment during cell-free incubation. These results are formulated into a free radical-based unifying hypothesis for neurotoxicity of beta-amyloid and are discussed with reference to membrane molecular alterations in Alzheimer disease.

Abstract: Four biomarkers of neuronal protein oxidation [W/S ratio of MAL‐6 spin‐labeled synaptosomes, phenylhydrazine‐reactive protein carbonyl content, glutamine synthetase (GS) activity, creatine kinase (CK) activity] in three brain regions [cerebellum, inferior parietal lobule (IPL), and hippocampus (HIP)] of Alzheimer's disease (AD)‐demented and age‐matched control subjects were assessed. These endpoints indicate that AD brain protein may be more oxidized than that of control subjects. The W/S ratios of AD hippocampal and inferior parietal synaptosomes are 30 and 46% lower, respectively, than corresponding values of tissue isolated from control brain; however, the difference between the W/S ratios of AD and control cerebellar synaptosomes is not significant. Protein carbonyl content is increased 42 and 37% in the Alzheimer's HIP and IPL regions, respectively, relative to AD cerebellum, whereas carbonyl content in control HIP and IPL is similar to that of control cerebellum. GS activity decreases an average of 27% in the AD brain; CK activity declines by 80%. The brain regional variation of these oxidation‐sensitive biomarkers corresponds to established histopathological features of AD (senile plaque and neurofibrillary tangle densities) and is paralleled by an increase in immunoreactive microglia. These data indicate that senile plaque‐dense regions of the AD brain may represent environments of elevated oxidative stress.

Oxidative alterations of proteins by reactive oxygen species (ROS) have been implicated in the progression of aging and age-related neurodegenerative disorders such as Alzheimer’s disease (AD). Protein carbonyls, a marker of protein oxidation, are increased in AD brain, indicating that oxidative modification of proteins is relevant in AD. Oxidative damage can lead to several events such as loss in specific protein function, abnormal protein clearance, depletion of the cellular redox-balance and interference with the cell cycle, and, ultimately, to neuronal death. Identification of specific targets of protein oxidation represents a crucial step in establishing a relationship between oxidative modification and neuronal death in AD, and was partially achieved previously in our laboratory through immunochemical detection of creatine kinase BB and β-actin as specifically oxidized proteins in AD brain versus control brain. However, this process is laborious, requires the availability of specific antibodies, and, most importantly, requires a reasonable guess as to the identity of the protein in the first place. In this study, we present the first proteomics approach to identify specifically oxidized proteins in AD, by coupling 2D fingerprinting with immunological detection of carbonyls and identification of proteins by mass spectrometry. The powerful techniques, emerging from application of proteomics to neurodegenerative disease, reveal the presence of specific targets of protein oxidation in Alzheimer’s disease (AD) brain: creatine kinase BB, glutamine synthase, and ubiquitin carboxy-terminal hydrolase L-1. These results are discussed with reference to potential involvement of these oxidatively modified proteins in neurodegeneration in AD brain. Proteomics offers a rapid means of identifying oxidatively modified proteins in aging and age-related neurodegenerative disorders without the limitations of the immunochemical detection method.

In this study we used immunohistochemistry and two-dimensional fingerprinting of oxidatively modified proteins (two-dimensional Oxyblot) together to investigate protein carbonyl formation in the Alzheimer's disease brain. Increased protein oxidation was detected in sections from the hippocampus and parahippocampal gyrus, superior and middle temporal gyri of six Alzheimer's disease and six age-matched control human subjects, but not in the cerebellum. In two brain regions severely affected by Alzheimer's disease pathology, prominent protein carbonyl immunoreactivity was localized in the cytoplasm of neurons without visual pathomorphological changes and degenerating neurons, suggesting that intracellular proteins might be significantly affected by oxidative modifications. Following two-dimensional electrophoresis the positions of some individual proteins were identified using specific antibodies, and immunoblot analysis for protein carbonyls was performed. These studies demonstrated the presence of protein carbonyl immunoreactivity in β-tubulin, β-actin and creatine kinase BB in Alzheimer's disease and control brain extracts. Protein carbonyls were undetectable in spots matching glial fibrillary acidic protein and tau isoforms. Specific protein carbonyl levels in β-actin and creatine kinase BB were significantly higher in Alzheimer's disease than in control brain extract. β-Tubulin did not demonstrate a significant increase in specific protein carbonyl content in Alzheimer's disease brains. We suggest that oxidative stress-induced injury may involve the selective modification of different intracellular proteins, including key enzymes and structural proteins, which precedes and may lead to the neurofibrillary degeneration of neurons in the Alzheimer's disease brain.

In this study, free radical scavenging abilities of ferulic acid in relation to its structural characteristics were evaluated in solution, cultured neurons, and synaptosomal systems exposed to hydroxyl and peroxyl radicals. Cultured neuronal cells exposed to the peroxyl radical initiator AAPH die in a dose-response manner and show elevated levels of protein carbonyls. The presence of ferulic acid or similar phenolic compounds, however, greatly reduces free radical damage in neuronal cell systems without causing cell death by themselves. In addition, synaptosomal membrane systems exposed to oxidative stress by hydroxyl and peroxyl radical generators show elevated levels of oxidation as indexed by protein oxidation, lipid peroxidation, and ROS measurement. Ferulic acid greatly attenuates these changes, and its effects are far more potent than those obtained for vanillic, coumaric, and cinnamic acid treatments. Moreover, ferulic acid protects against free radical mediated changes in conformation of synaptosomal membrane proteins as monitored by EPR spin labeling techniques. The results presented in this study suggest the importance of naturally occurring antioxidants such as ferulic acid in therapeutic intervention methodology against neurodegenerative disorders such as Alzheimer's disease in which oxidative stress is implicated.

Abstract HIV-1 Associated Neurocognitive Disorder (HAND) is commonly seen in HIV-infected patients. Viral proteins including Tat cause neuronal toxicity and is worsened by drugs of abuse. To uncover potential targets for anti-HAND therapy, we employed a literature mining system, MOLIERE. Here, we validated Dead Box RNA Helicase 3 (DDX3) as a target to treat HAND via a selective DDX3 inhibitor, RK-33. The combined neurotoxicity of Tat protein and cocaine was blocked by RK-33 in rat and mouse cortical cultures. Transcriptome analysis showed that Tat-activated transcripts include makers and regulators of microglial activation, and RK-33 blocked Tat-induced activation of these mRNAs. Elevated production of proinflammatory cytokines was also inhibited by RK-33. These findings show that DDX3 contributes to microglial activation triggered by Tat and cocaine, and DDX3 inhibition shows promise as a therapy for HAND. Moreover, DDX3 may contribute to the pathology of other neurodegenerative diseases with pathological activation of microglia.

HIV-associated neurological disorder (HAND) is a serious complication of HIV infection, marked by neurotoxicity induced by viral proteins like Tat. Substance abuse exacerbates neurocognitive impairment in people living with HIV. There is an urgent need for effective therapeutic strategies to combat HAND comorbid with Cocaine Use Disorder (CUD). Our analysis of the HIV and cocaine-induced transcriptomes in primary cortical cultures revealed a significant overexpression of the macrophage-specific gene, aconitate decarboxylase 1 (Acod1), caused by the combined insults of HIV and cocaine. ACOD1 protein converts the tricarboxylic acid intermediate cis-aconitate into itaconate during the activation of inflammation. The itaconate produced facilitates cytokine production and subsequently activates anti-inflammatory transcription factors, shielding macrophages from infection-induced cell death. While the role of itaconate in limiting inflammation has been studied in peripheral macrophages, its immunometabolic function remains unexplored in HIV and cocaine-exposed microglia. We assessed in this model system the potential of 4-octyl-itaconate (4OI), a cell-penetrable esterified form of itaconate known for its potent anti-inflammatory properties and potential therapeutic applications. We administered 4OI to primary cortical cultures exposed to Tat and cocaine. 4OI treatment increased the number of microglial cells in both untreated and Tat +/- Cocaine-treated cultures and also reversed the morphological altercations induced by Tat and cocaine. In the presence of 4OI, microglial cells also appeared more ramified, resembling the quiescent microglia. Consistent with these results, 4OI treatment inhibited the secretion of the proinflammatory cytokines IL-1α, IL-1β, IL-6, and MIP1-α induced by Tat and cocaine. Transcriptome profiling further determined that Nrf2 target genes such as NAD(P)H quinone oxidoreductase 1 (Nqo1), Glutathione S‑transferase Pi (Gstp1), and glutamate cysteine ligase catalytic (Gclc), were most significantly activated in Tat-4OI treated cultures, relative to Tat alone. Further, genes associated with cytoskeleton dynamics in inflammatory microglia were downregulated by 4OI treatment. Together, the results strongly suggest 4-octyl-itaconate holds promise as a potential candidate for therapeutic development aimed at addressing HAND coupled with CUD comorbidities.

Abstract HIV-associated neurological disorder (HAND) is a serious complication of HIV infection marked by neurotoxicity induced by viral proteins like Tat. Substance abuse exacerbates neurocognitive impairment in people living with HIV. There is an urgent need for therapeutic strategies to combat HAND comorbid with Cocaine Use Disorder (CUD). Our analysis of HIV and cocaine-induced transcriptomes in primary cortical cultures revealed significant overexpression of the macrophage-specific gene aconitate decarboxylase 1 (Acod1). The ACOD1 protein converts the tricarboxylic acid intermediate cis-aconitate into itaconate during the activation of inflammation. Itaconate then facilitates cytokine production and activates anti-inflammatory transcription factors, shielding macrophages from infection-induced cell death. However, the immunometabolic function of itaconate was unexplored in HIV and cocaine-exposed microglia. We assessed the potential of 4-octyl-itaconate (4OI), a cell-penetrable ester form of itaconate known for its anti-inflammatory properties. When primary cortical cultures exposed to Tat and cocaine were treated with 4OI, microglial cell number increased and the morphological altercations induced by Tat and cocaine were reversed. Microglial cells also appeared more ramified, resembling the quiescent microglia. 4OI treatment inhibited secretion of the proinflammatory cytokines IL-1α, IL-1β, IL-6, and MIP1-α induced by Tat and cocaine. Transcriptome profiling determined that Nrf2 target genes were significantly activated in Tat and 4OI treated cultures relative to Tat alone. Further, genes associated with cytoskeleton dynamics in inflammatory microglia were downregulated by 4OI treatment. Together, the results strongly suggest 4-octyl-itaconate holds promise as a potential candidate for therapeutic development to treat HAND coupled with CUD comorbidities. Graphical Abstract Model of 4OI-mediated neuroprotection against Tat-Cocaine toxicity. Tat and Tat-Cocaine treatment induce neuronal damage, which is mitigated by 4OI through microglia cells. This cartoon shows the reduction of harmful effects such as pro-inflammatory cytokine release, upregulation of P2R, PDE, and Acod1 by the presence of 4OI. This ester modified itaconate triggers anti-inflammatory responses and activates antioxidant pathways