A central issue in the pathogenesis of Alzheimer's disease (AD) is the relationship between amyloid deposition and neurofibrillary tangle formation. To determine whether amyloid fibril formation affects the phosphorylation state of tau, primary cultures of fetal rat hippocampal and human cortical neurons were treated with beta-amyloid (beta A) in a soluble, amorphous-aggregated, or fibrillar form. Fibrillar beta A, but not soluble or amorphous-aggregated beta A, markedly induces the phosphorylation of tau at Ser-202 and Ser-396/Ser-404, resulting in a shift in the tau M(r) in human cortical neurons. Hyperphosphorylated tau accumulates in the somatodendritic compartment of fibrillar beta A-treated neurons in a soluble form that is not associated with microtubules and is incapable of binding to microtubules in vitro. Dephosphorylation of beta A-induced tau restores its capacity to bind to microtubules. Thus, amyloid fibril formation alters the phosphorylation state of tau, resulting in the loss of microtubule binding capacity and somatodendritic accumulation, properties also exhibited by tau in the AD brain. Amyloid fibril formation may therefore be a cause of abnormal tau phosphorylation in AD.

The cellular mechanism underlying the generation of beta-amyloid in Alzheimer disease and its relationship to the normal metabolism of the amyloid precursor protein are unknown. In this report, we show that 3- and 4-kDa peptides derived from amyloid precursor protein are normally secreted. Epitope mapping and radiolabel sequence analysis suggest that the 4-kDa peptide is closely related to full-length beta-amyloid and the 3-kDa species is a heterogeneous set of peptides truncated at the beta-amyloid N terminus. The beta-amyloid peptides are secreted in parallel with amyloid precursor protein. Inhibitors of Golgi processing inhibit secretion of beta-amyloid peptides, whereas lysosomal inhibitors have no effect. The secretion of beta-amyloid-related peptides occurs in a wide variety of cell types, but which peptides are produced and their absolute levels are dependent on cell type. Human astrocytes generated higher levels of beta-amyloid than any other cell type examined. These results suggest that beta-amyloid is generated in the secretory pathway and provide evidence that glial cells are a major source of beta-amyloid production in the brain.

Deposition of the beta-amyloid protein in senile plaques is a pathologic hallmark of Alzheimer disease (AD). Focal deposition of beta amyloid in the adult rat cerebral cortex caused profound neurodegenerative changes, including neuronal loss and degenerating neurons and neurites. Chronic induction of the Alz-50 antigen appeared in neurons around focal cortical deposits of beta amyloid. Immunoblot analysis showed that beta amyloid induced Alz-50-immunoreactive proteins in rat cerebral cortex that were very similar to the proteins induced in human cerebral cortex from patients with AD. The neuropeptide substance P prevented beta-amyloid-induced neuronal loss and expression of Alz-50 proteins when coadministered into the cerebral cortex. Systemic administration of substance P also provided protection against the effects of intracerebral beta amyloid. Thus, beta amyloid is a potent neurotoxin in the adult brain in vivo, and its effects can be blocked by substance P.

Characterization of soluble oligomeric amyloid β (Aβ) species in the brains of Alzheimer's disease (AD) patients and transgenic models has raised the possibility that different conformations of Aβ may contribute to AD pathology via different mechanisms. To characterize the toxic effect of different Aβ conformations, we tested side by side the effect of well characterized Aβ oligomers (AβOs), Aβ-derived diffusible ligands (ADDLs), and fibrillar Aβ (Aβf) preparations in human cortical neurons (HCNs). Both AβOs and ADDLs bind rapidly and with high affinity to synaptic contacts and cellular membranes. AβOs (5 μ m ) induced rapid and massive neuronal death. Calcium influx accelerated, but was not required for, AβO toxicity. AβOs elicited a stereotyped succession of cellular changes consistent with the activation of a mitochondrial death apoptotic pathway. At low concentrations AβOs caused chronic and subtler mitochondrial alterations but minimal cell death. ADDLs induced similar toxic changes as AβOs but on a fivefold longer time scale. Higher concentrations of Aβf and longer incubation times were required to produce widespread neuritic dystrophy but modest HCN cell death. Thus various Aβ species may play relevant roles in AD, causing neurotoxicity by distinct non-overlapping mechanisms affecting neuronal function and viability over multiple time courses.

The cellular mechanisms which lead to the generation and pathological deposition of beta amyloid in Alzheimer's disease are unknown. In this report we describe the proteolytic processing of the amyloid precursor protein (APP) to an 11.5-kDa COOH-terminal derivative which contains the full-length beta amyloid sequence. This processing step normally occurs at low levels in parallel with APP maturation in the secretory pathway. Inhibition of oxidative energy metabolism by sodium azide or the mitochondrial uncoupler carbonyl cyanide m-chlorophenylhydrazone increased the proteolysis of APP to the 11.5-kDa derivative by about 80-fold with accumulation of this APP derivative in the Golgi complex. Agents which inhibit protein transport in the secretory pathway, including monensin and brefeldin A, also increased the production of the 11.5-kDa derivative. Inhibition of APP maturation demonstrated that the 11.5-kDa derivative could be produced by proteolysis of immature APP. These results demonstrate that APP processing to potentially amyloidogenic COOH-terminal derivatives occurs in either the endoplasmic reticulum or Golgi complex and can be modulated by the state of cellular energy metabolism. Deficits in oxidative energy metabolism have recently been found in the cerebral cortex of patients with Alzheimer's disease. These findings raise the possibility that energy-related metabolic stress may lead to altered metabolism of APP and contribute to amyloidosis in Alzheimer's disease.

Most Down's syndrome (DS) patients develop Alzheimer's disease (AD) neuropathology. Astrocyte and neuronal cultures derived from fetal DS brain show alterations in the processing of amyloid β precursor protein (AβPP), including increased levels of AβPP and C99, reduced levels of secreted AβPP (AβPPs) and C83, and intracellular accumulation of insoluble Aβ42. This pattern of AβPP processing is recapitulated in normal astrocytes by inhibition of mitochondrial metabolism, consistent with impaired mitochondrial function in DS astrocytes. Intracellular Aβ42 and reduced AβPPs are also detected in DS and AD brains. The survival of DS neurons is markedly increased by recombinant or astrocyte-produced AβPPs, suggesting that AβPPs may be a neuronal survival factor. Thus, mitochondrial dysfunction in DS may lead to intracellular deposition of Aβ42, reduced levels of AβPPs, and a chronic state of increased neuronal vulnerability.

Alzheimer disease (AD) is a neurodegenerative disease which is characterized by the presence of extracellular senile plaques mainly composed of amyloid-β peptide (Aβ), intracellular neurofibrillary tangles, and selective synaptic and neuronal loss. AD brains revealed elevated levels of oxidative stress markers which have been implicated in Aβ-induced toxicity. In the present work we addressed the hypothesis that oxidative stress occurs early in the development of AD and evaluated the extension of the oxidative stress and the levels of antioxidants in an in vivo model of AD, the triple-transgenic mouse, which develops plaques, tangles, and cognitive impairments and thus mimics AD progression in humans. We have shown that in this model, levels of antioxidants, namely, reduced glutathione and vitamin E, are decreased and the extent of lipid peroxidation is increased. We have also observed increased activity of the antioxidant enzymes glutathione peroxidase and superoxide dismutase. These alterations are evident during the Aβ oligomerization period, before the appearance of Aβ plaques and neurofibrillary tangles, supporting the view that oxidative stress occurs early in the development of the disease.

Inhibitory GABA-ergic neurotransmission is fundamental for the adult vertebrate central nervous system and requires low chloride ion concentration in neurons. This basic ionic-homeostatic mechanism relies on expression and function of KCC2, a neuroprotective ionic transporter that extrudes neuronal chloride. Importantly, no other transporter can rescue KCC2 deficit, and attenuated expression of KCC2 is strongly associated with circuit malfunction in chronic pain, epilepsy, neuro-degeneration, neuro-trauma, and other neuro-psychiatric illnesses. To isolate Kcc2 gene expression-enhancing compounds, we screened 1057 cell growth-regulating compounds in cultured primary cortical neurons. We identified kenpaullone (KP), which enhanced Kcc2/KCC2 expression and function in cultured rodent and human neurons by inhibiting GSK3ß. KP effectively reduced pathologic pain in preclinical mouse models of nerve constriction injury and bone cancer. In nerve-injury pain, KP restored Kcc2 expression and GABA-evoked chloride reversal potential in the spinal cord dorsal horn. Delta-catenin, a phosphorylation-target of GSK3ß in neurons, activated the Kcc2 promoter via Kaiso transcription factor. Validating this new pathway in-vivo, transient spinal over-expression of delta-catenin mimicked KP analgesia. With relevance for pathologic pain, our discoveries of a newly repurposed compound and a novel genetically-encoded mechanism that each enhance Kcc2 gene expression enable us to re-normalize disrupted inhibitory neurotransmission through genetic re-programming.