In patients with Alzheimer's disease, amyloid fibrils that are aggregates of A4 protein subunits are deposited in the brain. A similar process occurs at an earlier age in persons with Down's syndrome. To investigate the deposition of amyloid in these diseases, we used a radioimmunoassay to measure levels of the amyloid precursor (PreA4) in the serum of 17 patients with Down's syndrome, 15 patients with Alzheimer's disease, and 33 normal elderly controls. The mean (±SD) concentration of serum PreA4 was increased 1.5-fold in patients with Down's syndrome (2.49±1.13 nmol per liter) as compared with that in controls (1.68±0.49 nmol per liter; P<0.007); the levels in patients with Alzheimer's disease were similar to those in controls (1.83±0.78; P<0.98). We also found that the concentration of PreA4 in the brain tissue of two adults with Down's syndrome (100 and 190 pmol per gram) was higher than that in the brain tissue of either 26 patients with Alzheimer's disease (64.4± 17.3 pmol per gram) or 17 elderly controls with neurologic disease (68.5±26.3 pmol per gram). Immunocytochemical studies of brain tissue from 26 patients with Down's syndrome showed that the deposition of A4 protein amyloid began in these patients approximately 50 years earlier than it began in 127 normal aging subjects studied previously, although the rate of deposition was the same. We conclude that, since the gene for PreA4 is on the long arm of chromosome 21, which is present in triplicate in Down's syndrome, overexpression of this gene may lead to increased levels of PreA4 and amyloid deposition in Down's syndrome. However, since increased levels of PreA4 are not present in Alzheimer's disease, additional factors must account for the amyloid deposition in that disorder. (N Engl J Med 1989; 320:1446–52.)

The deposition of amyloid βA4 in the brain is a major pathological hallmark of Alzheimer's disease. Amyloid βA4 is a peptide composed of 42 or 43 amino acid residues. In brain, it appears in the form of highly insoluble, filamentous aggregates. Using synthetic peptides corresponding to the natural βA4 sequence as well as analog peptides, we demonstrate requirements for filament formation in vitro. We also determine aggregational properties and the secondary structure of βA4. A comparison of amino-terminally truncated βA4 peptides identifies a peptide spanning residues 10 to 43 as a prototype for amyloid βA4. Infrared spectroscopy of βA4 peptides in the solid state shows that their secondary structure consists of a β-turn flanked by two strands of antiparallel β-pleated sheet. Analog peptides containing a disulfide bridge were designed to stabilize different putative β-turn positions. Limited proteolysis of these analogs allowed a localization of the central β-turn at residues 26 to 29 of the entire sequence. Purified βA4 peptides are soluble in water. Size-exclusion chromatography shows that they form dimers that, according to circular dichroism spectroscopy, adopt a β-sheet conformation. Upon addition of salts, the bulk fraction of peptides precipitates and adopts a β-sheet structure. Only a small fraction of peptides remains solubilized. They are monomeric and adopt a random coil conformation. This suggests that the formation of aggregates depends upon a hydrophobic effect that leads to intra- and intermolecular interactions between hydrophobic parts of the βA4 sequence. This model is sustained by the properties of βA4 analogs in which hydrophobic residues were substituted. These peptides show a markedly increased solubility in salt solutions and have lost the ability to form filaments. In contrast, the substitution of hydrophilic residues leads only to small deviations in the shape of filaments, indicating that hydrophilic residues contribute to the specificity of interactions between βA4 peptides.

Research Article1 May 1988free access Alzheimer's disease amyloidogenic glycoprotein: expression pattern in rat brain suggests a role in cell contact. B. D. Shivers B. D. Shivers Zentrum für Molekulare Biologie, Universität Heidelberg, FRG. Search for more papers by this author C. Hilbich C. Hilbich Zentrum für Molekulare Biologie, Universität Heidelberg, FRG. Search for more papers by this author G. Multhaup G. Multhaup Zentrum für Molekulare Biologie, Universität Heidelberg, FRG. Search for more papers by this author M. Salbaum M. Salbaum Zentrum für Molekulare Biologie, Universität Heidelberg, FRG. Search for more papers by this author K. Beyreuther K. Beyreuther Zentrum für Molekulare Biologie, Universität Heidelberg, FRG. Search for more papers by this author P. H. Seeburg P. H. Seeburg Zentrum für Molekulare Biologie, Universität Heidelberg, FRG. Search for more papers by this author B. D. Shivers B. D. Shivers Zentrum für Molekulare Biologie, Universität Heidelberg, FRG. Search for more papers by this author C. Hilbich C. Hilbich Zentrum für Molekulare Biologie, Universität Heidelberg, FRG. Search for more papers by this author G. Multhaup G. Multhaup Zentrum für Molekulare Biologie, Universität Heidelberg, FRG. Search for more papers by this author M. Salbaum M. Salbaum Zentrum für Molekulare Biologie, Universität Heidelberg, FRG. Search for more papers by this author K. Beyreuther K. Beyreuther Zentrum für Molekulare Biologie, Universität Heidelberg, FRG. Search for more papers by this author P. H. Seeburg P. H. Seeburg Zentrum für Molekulare Biologie, Universität Heidelberg, FRG. Search for more papers by this author Author Information B. D. Shivers1, C. Hilbich1, G. Multhaup1, M. Salbaum1, K. Beyreuther1 and P. H. Seeburg1 1Zentrum für Molekulare Biologie, Universität Heidelberg, FRG. The EMBO Journal (1988)7:1365-1370https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1988.tb02952.x PDFDownload PDF of article text and main figures. ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack CitationsPermissions ShareFacebookTwitterLinked InMendeleyWechatReddit Figures & Info The cloned cDNA encoding the rat cognate of the human A4 amyloid precursor protein was isolated from a rat brain library. The predicted primary structure of the 695-amino acid-long protein displays 97% identity to its human homologue shown previously to resemble an integral membrane protein. The protein was detected in rodent brain and muscle by Western blot analysis. Using in situ hybridization and immunocytochemistry on rat brain sections, we discovered that rat amyloidogenic glycoprotein (rAG) and its mRNA are ubiquitously and abundantly expressed in neurons indicating a neuronal original for the amyloid deposits observed in humans with Alzheimer's disease (AD). The protein appears in patches on or near the plasma membranes of neurons suggesting a role for this protein in cell contact. Highest expression was seen in rat brain regions where amyloid is deposited in AD but also in areas which do not contain deposits in AD. Since amyloid deposits are rarely observed in rat brain, we conclude that high expression of AG is not the sole cause of amyloidosis. Previous ArticleNext Article Volume 7Issue 51 May 1988In this issue RelatedDetailsLoading ...

The deposition of amyloid protein aggregates in brain is the main pathological feature of Alzheimer's disease. Their principal constituent is a peptide termed βA4, which comprises up to 43 amino acid residues. It is highly insoluble under physiological conditions and aggregates into filaments that form very dense clusters in vivo andin vitro. Based on a βA4 prototype sequence spanning residues 10 to 42 or 43, we have designed analogues in which hydrophobic amino acid residues in position 17 to 20 were substituted by more hydrophilic residues. Depending on the kind of newly introduced amino acids and their position within the sequence, the substitution of only two residues led to variants exhibiting a broad spectrum of different properties. Common to them was a reduced β-sheet content after solubilization in water and in the solid state. Some of the variants showed significantly reduced amyloidogenicity: although still forming filaments, they did not aggregate into the highly condensed depositions that are typical for amyloid. In addition, they could be solubilized in 200 mM-NaCl and KCl. When mixed with βA4 peptides bearing the natural sequence, two of the analogues could inhibit the formation of filaments in vitro. These results demonstrate that a well-preserved hydrophobic core around residues 17 to 20 of βA4 is crucial for the formation of β-sheet structure and the amyloid properties of βA4. The introduction of structural alterations within this region may guide the development of reagents for the therapy of Alzheimer's disease.

The histologic diagnosis of Alzheimer9s disease (AD) might be aided if a more sensitive marker of aberrant A4 amyloid protein deposition were available. We screened a sample of aged brains, using immunocytochemical methods to detect the A4 protein deposition, and found that, in comparison with conventional histologic techniques (silver impregnation and Congo red), immunocytochemistry is more sensitive and allows an easier demarcation between "normal" and "abnormal." If A4 protein deposition is accepted as a definitive marker for AD, then the age-related prevalence of AD increases dramatically. To what degree these prevalence rates are reflected in clinically detectable impairment of higher cortical function remains to be determined.