Investigation of the expression of ATP-binding cassette sub-family A member 7 in the human brain within the context of Alzheimer's disease

Abstract

Background: Alzheimer's disease is the most common cause of dementia and initially presents with a progressive deterioration of memory and orientation. As the disease's neuropathological hallmarks, amyloid beta plaques and deposits of hyperphosphorylated tau protein are found in patients' brains. In connection to the plaques, neuronal dystrophy and microglial activation occur. Multiple genome-wide association studies identified the ATP-binding cassette subfamily A member 7 (ABCA7) as a risk gene for Alzheimer's disease and found an association with amyloid deposition in the brain. The protein's function is unknown, but possible roles in lipid release from the cell and phagocytosis have been described. ABCA7 expression was found in the human brain and several other tissues. Protein expression of ABCA7 within brain cells has predominantly been found in microglia and neurons. Most evidence on ABCA7 comes from genetic studies and experiments with mouse models or cell culture. The aim of the here presented study is to examine ABCA7 expression in human brain tissue and investigate its association with pathologies related to Alzheimer's disease.

Methods: This study examined the ABCA7 expression in post-mortem brain tissue from seven cases with varying stages of Alzheimer's disease pathology. For this, I established a method for double staining of ABCA7 and a second marker via immunohistochemistry. To characterise the ABCA7-expressing cells, double labelling of ABCA7 with the phagocytic marker CD68 and the microglial marker Iba1 was performed. The association of ABCA7-positive cells to amyloid deposits in the frontal cortex and hippocampus was then analysed with a double staining using an antibody against ABCA7 and the anti-amyloid antibody 6E10.

Results: This study found a co-expression of the microglia-specific Iba1 protein and ABCA7 in all labelled cells, while only a subset of CD68-positive cells expressed ABCA7. ABCA7 expression was found in microglia of all stages of activation. The number of ABCA7-positive cells correlated positively with the amyloid beta plaque load in the grey matter of the frontal cortex. In this brain region, the majority of ABCA7-positive cells were associated with amyloid plaques. This association was particularly pronounced with dense plaques. A positive correlation between the number of ABCA7-positive cells in the frontal cortex and the hippocampus was found. In the hippocampus, the ABCA7-positive cells did not show association with amyloid beta plaques.

Conclusion: In the context of prior publications, I interpret these results as suggesting that ABCA7 influences Alzheimer's disease through microglial clearance of amyloid beta in the cortex. This hypothesis proposes that ABCA7 is upregulated in response to an increased plaque burden and holds a protective role against AD.

Hintergrund: Die Alzheimer-Krankheit ist die häufigste Ursache von Demenz und beginnt oft mit einer zunehmende Verschlechterung von Gedächtnis und Orientierung. Neuropathologisch können dabei Ablagerungen von Beta-Amyloid-Plaques, welche mit neuronaler Degeneration und Mikrogliaaktivierung einhergehen, und hyperphosphoryliertem Tau-Protein nachgewiesen werden. Genomweite Assoziationsstudien konnten den ABC-Transporter ABCA7 als Alzheimer-Risikogen identifizieren. Diese Studien wiesen zudem eine Assoziation des ABCA7-Gens mit Beta-Amyloid-Ablagerungen nach. Die Funktion von ABCA7 ist bisher noch unbekannt. Möglicherweise spielt das Protein bei Lipidfreisetzung aus der Zelle und Phagozytose eine Rolle. ABCA7-Expression konnte im menschlichen Gehirn, insbesondere in Mikroglia und Neuronen, sowie in diversen weiteren Geweben nachgewiesen werden. Bisher wurde ABCA7 hauptsächlich mit Hilfe von genetischen Studien, Mausmodellen oder zellkulturellen Experimenten erforscht. In dieser Arbeit wird die ABCA7-Expression im menschlichen Gehirngewebe im Zusammenhang mit der Alzheimerpathologie untersucht.

Methoden: In dieser Studie wurde die ABCA7-Expression in postmortalem Gehirngewebe von sieben Alzheimerfällen unterschiedlicher Krankheitsstadien untersucht. Dafür entwickelte ich eine immunhistochemische Doppelfärbemethode, mit welcher ABCA7 zusammen mit einem weiteren Marker angefärbt werden kann. Um die ABCA7-positiven Zellen näher zu beschreiben, wurde das Protein zunächst zusammen mit dem Phagozytenmarker CD68 und dem Mikrogliamarker Iba1 angefärbt. Die Plaqueassoziation der ABCA7-positiven Zellen wurde mit einer Doppelfärbung von ABCA7 und Beta-Amyloid mittels 6E10-Antikörper im Frontalkortex und Hippocampus untersucht.

Ergebnisse: Alle angefärbten Zellen exprimierten ABCA7 und Iba1 gemeinsam. ABCA7 wurde jedoch nur von einem Teil der CD68-positiven Zellen exprimiert. Es konnte dabei eine ABCA7-Expression in Mikroglia aller Zellstadien nachgewiesen werden. Die Studie konnte eine positive Korrelation der Anzahl ABCA7-positiver Zellen und Beta-Amyloid-Plaques in der grauen Materie des Frontalkortex nachweisen. Zudem waren die meisten ABCA7-positiven Zellen mit Beta-Amyloid-Plaques, und dabei insbesondere mit den dichten "dense plaques", assoziiert. Die Anzahl ABCA7-positiver Zellen im Frontalkortex und Hippocampus korrelierte positiv. Im Hippocampus konnte jedoch keine Assoziation der ABCA7-positiven Zellen zu Beta-Amyloid-Plaques festgestellt werden.

Schlussfolgerung: Im Kontext früherer Veröffentlichungen gesehen, interpretiere ich die Ergebnisse so, dass ABCA7 die Beta-Amyloid-Phagozytose durch Mikroglia fördert. Diese Hypothese besagt, dass ABCA7 im Rahmen der Alzheimer-Erkrankung verstärkt exprimiert wird und eine protektive Rolle gegen Alzheimer hat.