Alzheimer's disease is a common and devastating disease for which there is no readily available biomarker to aid diagnosis or to monitor disease progression. Biomarkers have been sought in CSF but no previous study has used two-dimensional gel electrophoresis coupled with mass spectrometry to seek biomarkers in peripheral tissue. We performed a case–control study of plasma using this proteomics approach to identify proteins that differ in the disease state relative to aged controls. For discovery-phase proteomics analysis, 50 people with Alzheimer's dementia were recruited through secondary services and 50 normal elderly controls through primary care. For validation purposes a total of 511 subjects with Alzheimer's disease and other neurodegenerative diseases and normal elderly controls were examined. Image analysis of the protein distribution of the gels alone identifies disease cases with 56% sensitivity and 80% specificity. Mass spectrometric analysis of the changes observed in two-dimensional electrophoresis identified a number of proteins previously implicated in the disease pathology, including complement factor H (CFH) precursor and α-2-macroglobulin (α-2M). Using semi-quantitative immunoblotting, the elevation of CFH and α-2M was shown to be specific for Alzheimer's disease and to correlate with disease severity although alternative assays would be necessary to improve sensitivity and specificity. These findings suggest that blood may be a rich source for biomarkers of Alzheimer's disease and that CFH, together with other proteins such as α-2M may be a specific markers of this illness.

Context

 Blood-based analytes may be indicators of pathological processes in Alzheimer disease (AD). 

Objective

 To identify plasma proteins associated with AD pathology using a combined proteomic and neuroimaging approach. 

Design

 Discovery-phase proteomics to identify plasma proteins associated with correlates of AD pathology. Confirmation and validation using immunodetection in a replication set and an animal model. 

Setting

 A multicenter European study (AddNeuroMed) and the Baltimore Longitudinal Study of Aging. 

Participants

 Patients with AD, subjects with mild cognitive impairment, and healthy controls with standardized clinical assessments and structural neuroimaging. 

Main Outcome Measures

 Association of plasma proteins with brain atrophy, disease severity, and rate of clinical progression. Extension studies in humans and transgenic mice tested the association between plasma proteins and brain amyloid. 

Results

 Clusterin/apolipoprotein J was associated with atrophy of the entorhinal cortex, baseline disease severity, and rapid clinical progression in AD. Increased plasma concentration of clusterin was predictive of greater fibrillar amyloid-β burden in the medial temporal lobe. Subjects with AD had increased clusterin messenger RNA in blood, but there was no effect of single-nucleotide polymorphisms in the gene encoding clusterin with gene or protein expression.APP/PS1transgenic mice showed increased plasma clusterin, age-dependent increase in brain clusterin, as well as amyloid and clusterin colocalization in plaques. 

Conclusions

 These results demonstrate an important role of clusterin in the pathogenesis of AD and suggest that alterations in amyloid chaperone proteins may be a biologically relevant peripheral signature of AD.

Although the mechanism of Aβ action in the pathogenesis of Alzheimer's disease (AD) has remained elusive, it is known to increase the expression of the antagonist of canonical wnt signalling, Dickkopf-1 (Dkk1), whereas the silencing of Dkk1 blocks Aβ neurotoxicity. We asked if clusterin, known to be regulated by wnt, is part of an Aβ/Dkk1 neurotoxic pathway. Knockdown of clusterin in primary neurons reduced Aβ toxicity and DKK1 upregulation and, conversely, Aβ increased intracellular clusterin and decreased clusterin protein secretion, resulting in the p53-dependent induction of DKK1. To further elucidate how the clusterin-dependent induction of Dkk1 by Aβ mediates neurotoxicity, we measured the effects of Aβ and Dkk1 protein on whole-genome expression in primary neurons, finding a common pathway suggestive of activation of wnt–planar cell polarity (PCP)–c-Jun N-terminal kinase (JNK) signalling leading to the induction of genes including EGR1 (early growth response-1), NAB2 (Ngfi-A-binding protein-2) and KLF10 (Krüppel-like factor-10) that, when individually silenced, protected against Aβ neurotoxicity and/or tau phosphorylation. Neuronal overexpression of Dkk1 in transgenic mice mimicked this Aβ-induced pathway and resulted in age-dependent increases in tau phosphorylation in hippocampus and cognitive impairment. Furthermore, we show that this Dkk1/wnt–PCP–JNK pathway is active in an Aβ-based mouse model of AD and in AD brain, but not in a tau-based mouse model or in frontotemporal dementia brain. Thus, we have identified a pathway whereby Aβ induces a clusterin/p53/Dkk1/wnt–PCP–JNK pathway, which drives the upregulation of several genes that mediate the development of AD-like neuropathologies, thereby providing new mechanistic insights into the action of Aβ in neurodegenerative diseases.