Proteomics analysis of molecular features in Down syndrome, sporadic and autosomal dominant Alzheimer's disease

Abstract

El síndrome de Down (SD) és l’anomalia cromosòmica més comuna, causada per la triplicació del cromosoma 21 (Hsa21). Els avanços mèdics han prolongat la vida de les persones amb SD, però la malaltia d’Alzheimer (EA) s’ha convertit en la seva principal causa de mortalitat, afectant més del 90 % a la setena dècada. L’associació entre SD i EA s’explica per la triplicació del gen de la proteïna precursora d’amiloide (APP), que genera excés de beta-amiloide (Aβ) i acumulació primerenca de plaques. Als 40 anys, gairebé tots els individus amb SD presenten dipòsits d’Aβ i Tau hiperfosforilada, similars als observats en EA d’inici precoç (EOAD), tardà (LOAD) i autosòmica dominant (ADAD), tot i que SD també implica alteracions del neurodesenvolupament i immunitàries que poden afectar la progressió de la malaltia.

El SD ha estat clau en el desenvolupament de la hipòtesi de la cascada d’amiloide. Estudis inicials van identificar Aβ en la vasculatura cerebral de persones amb SD, similar al que s’observa en LOAD. Posteriorment, es va comprovar que mutacions en APP en Hsa21 causen ADAD, recolzant un mecanisme compartit d’alteració de l’homeòstasi de l’Aβ en diferents subtipus d’EA. No obstant això, l’EA associada a SD (DSAD) presenta característiques biològiques pròpies, com diferències en el desenvolupament cerebral, resposta immune i regulació bioquímica, qüestionant fins a quin punt coincideix amb altres formes d’EA. Atès que l’aparició de símptomes en SD és previsible, de manera similar a ADAD, SD constitueix un model valuós per estudiar la patogènesi de l’EA.

La proteòmica és una eina important per estudiar l’EA, ja que permet mesurar directament l’abundància de proteïnes i les seves interaccions en diferents teixits i etapes de la malaltia. En LOAD i ADAD, estudis proteòmics han mostrat alteracions més enllà d’Aβ i Tau, incloent senyalització immune, funció sinàptica i metabolisme mitocondrial. Tanmateix, SD ha estat menys estudiat amb aquesta eina. La integració de dades de teixit cerebral i líquid cefalorraquidi (LCR) permet comprendre millor les característiques moleculars compartides i específiques de SD, EOAD, LOAD i ADAD.

En aquest estudi es van analitzar plaques d’amiloide i teixit circumdant en individus amb SD, EOAD, LOAD i controls, mitjançant proteòmica localitzada. Es va identificar un conjunt central de proteïnes associades a plaques en tots els grups, incloent metabolisme d’APP, funció immune i activitat lisosomal. SD va mostrar gran similitud amb EOAD i LOAD en les plaques, mentre que el teixit sense plaques va presentar patrons divergents, amb canvis específics en proteïnes de la matriu extracel·lular i cromatina, evidenciant característiques moleculars distintives.

A més, es va avaluar la progressió de la neuropatologia d’Alzheimer en SD usant LCR, comparada amb LOAD i ADAD. Tot i que molts canvis proteics eren compartits, els casos amb SD van mostrar alteracions més primerenques en proteïnes relacionades amb la resposta immune, matriu extracel·lular i disfunció de la barrera hematoencefàlica, precedint la patologia d’Aβ o Tau. SD també va presentar alteració primerenca d’axons i mielina, així com patologia vascular més pronunciada que en ADAD, destacant característiques moleculars úniques en SD amb implicacions terapèutiques i per a diagnòstic precoç.

Els estudis resumits en aquesta tesi demostren que, tot i que SD comparteix característiques moleculars fonamentals amb altres formes d’EA, també presenta alteracions proteòmiques distintives determinades per la trisomia 21. Aquests resultats reforcen la importància de SD com a model per comprendre els mecanismes inicials de la malaltia i ressalten el valor de la proteòmica per identificar patrons moleculars de neurodegeneració. Aquest treball amplia el coneixement sobre vies compartides i divergents entre subtipus d’EA i ofereix un marc per identificar biomarcadors i teràpies segons l’etapa de la malaltia i el context genètic.

El síndrome de Down (SD) es la anomalía cromosómica más común, causada por la triplicación del cromosoma 21 (Hsa21). Los avances médicos han prolongado la vida de las personas con SD, pero la enfermedad de Alzheimer (EA) se ha convertido en su principal causa de mortalidad, afectando a más del 90 % para la séptima década. La asociación entre SD y EA se explica por la triplicación del gen de la proteína precursora de amiloide (APP), que genera exceso de beta-amiloide (Aβ) y acumulación temprana de placas. A los 40 años, casi todos los individuos con SD presentan depósitos de Aβ y Tau hiperfosforilada, similares a los observados en EA de inicio temprano (EOAD), tardío (LOAD) y autosómica dominante (ADAD), aunque el SD también implica alteraciones del neurodesarrollo e inmunológicas que pueden afectar la progresión de la enfermedad.

El SD ha sido clave en el desarrollo de la hipótesis de la cascada de amiloide. Estudios iniciales identificaron Aβ en la vasculatura cerebral de personas con SD, similar al observado en LOAD. Posteriormente, se comprobó que mutaciones en APP en Hsa21 causan ADAD, respaldando un mecanismo compartido de alteración de la homeostasis de Aβ en distintos subtipos de EA. No obstante, la EA asociada al SD (DSAD) presenta características biológicas propias, como diferencias en el desarrollo cerebral, respuesta inmune y regulación bioquímica, cuestionando que tanto se relaciona con otras formas de EA. Dado que la aparición de síntomas en SD es predecible, de manera similar a ADAD, el SD constituye un modelo valioso para estudiar la patogénesis de la EA.

La proteómica es una herramienta importante para estudiar la EA, al medir directamente la abundancia de proteínas y sus interacciones en distintos tejidos y etapas de la enfermedad. En LOAD y ADAD, estudios de proteómica han mostrado alteraciones más allá de Aβ y Tau, incluyendo señalización inmune, función sináptica y metabolismo mitocondrial. Sin embargo, SD ha sido menos estudiado con esta herramienta. La integración de datos de tejido cerebral y líquido cefalorraquídeo (LCR) permite comprender mejor las características moleculares compartidas y específicas de SD, EOAD, LOAD y ADAD. En este estudio se analizaron placas de amiloide y tejido circundante en individuos con SD, EOAD, LOAD y controles, mediante proteómica localizada. Se identificó un conjunto central de proteínas asociadas a placas en todos los grupos, incluyendo metabolismo de APP, función inmune y actividad lisosomal. El SD mostró gran similitud con EOAD y LOAD en las placas, y el tejido sin placas presentó patrones divergentes, con cambios específicos en proteínas de matriz extracelular y cromatina, evidenciando características moleculares distintivas.

Adicionalmente, se evaluó la progresión de la neuropatología de Alzheimer en SD usando LCR, comparada con LOAD y ADAD. Aunque muchos cambios proteicos fueron compartidos, los casos con SD mostraron alteraciones más tempranas en proteínas relacionadas con la respuesta inmune, matriz extracelular y disfunción de la barrera hematoencefálica, precediendo la patología de Aβ o Tau. SD también presentó alteración temprana de axones y mielina, así como patología vascular más pronunciada que en ADAD, destacando características moleculares únicas en SD con implicaciones terapeuticas y para diagnóstico temprano.

Los estudios resumidos en esta tesis demuestran que, si bien SD comparte características moleculares fundamentales con otras formas de EA, también presenta alteraciones proteómicas distintivas determinadas por la trisomía 21. Estos resultados refuerzan la importancia del SD como modelo para comprender los mecanismos iniciales de la enfermedad y resaltan el valor de la proteómica para identificar patrones moleculares de neurodegeneración. Este trabajo amplía el conocimiento sobre vías compartidas y divergentes entre subtipos de EA y ofrece un marco para identificar biomarcadores y terapias según la etapa de la enfermedad y el contexto genético.

Down syndrome (DS) is the most common chromosomal abnormality, caused by the triplication of chromosome 21 (Hsa21). Advances in medical care have extended the life expectancy of individuals with DS, but Alzheimer’s disease (AD) has become the leading cause of mortality, affecting more than 90% by the seventh decade of life. The strong link between DS and AD is driven by the triplication of the amyloid precursor protein (APP) gene, which results in excess production of amyloid-β (Aβ) and the early accumulation of amyloid plaques. By age 40, almost all individuals with DS display the pathological hallmarks of AD, including Aβ deposits and neurofibrillary tangles of hyperphosphorylated Tau. These features resemble those in early-onset AD (EOAD), late-onset AD (LOAD), and autosomal dominant AD (ADAD), but DS also involves unique neurodevelopmental and immune changes that may shape disease progression.

DS has played an important role in shaping the amyloid hypothesis of AD. Early studies identified Aβ in DS brain vasculature and established its similarity to Aβ in LOAD. Later, mutations in APP on Hsa21 were shown to cause ADAD, reinforcing the idea of a shared mechanism of altered Aβ homeostasis across AD subtypes. Despite these overlaps, DS-associated AD (DSAD) also shows distinctive biological features, including differences in brain development, immune responses, and biochemical regulation, raising questions about how closely its mechanisms align with those of other AD forms. Because symptom onset in DS is predictable, similar to ADAD, it offers a valuable model for studying AD pathogenesis.

Proteomics provides a powerful approach to study AD by directly measuring protein abundance and interactions across tissues and stages of disease. In LOAD and ADAD, proteomic studies have revealed broad alterations in pathways beyond Aβ and Tau, including immune signaling, synaptic function, and mitochondrial metabolism. However, DSAD has been less studied with this approach. Integrating proteomic data from brain and cerebrospinal fluid (CSF) allows a deeper understanding of molecular features across DS, EOAD, LOAD, and ADAD.

In the brain proteomics study presented in this thesis, amyloid plaques and surrounding non-plaque tissue were analyzed in DS, EOAD, LOAD, and controls using unbiased localized proteomics. A core set of plaque-associated proteins was found across groups, including networks related to APP metabolism, immune function, and lysosomal activity. DS showed strong similarity to EOAD and LOAD in plaque composition, but its non-plaque tissue displayed more divergent patterns. Specific changes in extracellular matrix and chromatin-associated proteins were detected in DS, pointing to distinct molecular features compared with other AD subtypes.

CSF proteomics from a large DS cohort was also analyzed to assess disease progression and compare with LOAD and ADAD. While many protein changes were shared, DS cases showed earlier and stronger alterations in immune-related proteins, extracellular matrix pathways, and markers of blood–brain barrier dysfunction. These changes appeared before detectable Aβ or Tau pathology, suggesting a link to trisomy 21 rather than to secondary disease processes. DS also showed earlier signs of axonal and white matter pathology and more pronounced cerebral amyloid angiopathy (CAA) compared to ADAD. These results highlight unique molecular features of AD in DS that have implications for early diagnosis and targeted treatments.

The studies summarized in this thesis show that AD in DS shares fundamental molecular features with other AD forms but also exhibits distinct proteomic alterations shaped by trisomy 21. These findings reinforce the importance of DS as a model for understanding early disease mechanisms and demonstrate the value of proteomics in identifying molecular signatures of neurodegeneration. This work advances our knowledge of shared and distinct pathways across AD subtypes and provides a framework for identifying biomarkers and therapies tailored to disease stage and genetic context.