Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas (Neurociências), Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2014Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and its high-affinity full-length receptor, TrkB-FL, play a central role in the nervous system by providing trophic support to neurons and by regulating synaptic transmission and plasticity. BDNF signalling is impaired in Alzheimer’s disease (AD), a neurodegenerative disorder characterized, among other features, by the accumulation of the amyloid-β (Aβ) peptide. Although the mechanisms implicated in the reduction of BDNF signalling in AD were not clarified, the reestablishment of BDNF actions is considered as a promising strategy for AD treatment. In last decade it became clear that most of synaptic actions of BDNF, including the ones upon synaptic transmission, plasticity or upon neurotransmitter release, are fully dependent on adenosine A2A receptors (A2AR) activation. However, evidences indicate that A2AR antagonists can prevent the deficits in AD animal models. Given the lack of data clarifying the mechanisms behind the changes on BDNF signalling, namely changes on TrkB receptors, and the knowledge that A2AR activation facilitates most of BDNF synaptic actions, the main goal of this project was to study the impact of Aβ peptides and A2AR on BDNF signalling. This work revealed that in rat primary neuronal cultures Aβ selectively increases mRNA levels for the truncated TrkB-T1 and TrkB-T2 isoforms without affecting TrkB fulllength (TrkB-FL) mRNA levels. Moreover, Aβ increases protein levels of total pool of truncated TrkB receptors (TrkB-Tc) and decreases TrkB-FL protein levels. This effect is explained by the Aβ-induced calpain-mediated cleavage on TrkB-FL receptors, downstream of Shc binding site, which results in the formation of a new truncated TrkB receptor (TrkB-T’) and a new intracellular fragment (TrkB-ICD), which is also detected in post-mortem human brain samples. In hippocampal slices it was observed that Aβ impairs BDNF function in a calpaindependent way, upon modulation of GABA and glutamate release from hippocampal nerve terminals, and upon modulation of long-term potentiation (LTP). Finally, the exogenous BDNF strongly reduces the Aβ-induced activation of caspase-3 and calpain in neuronal cultures, an effect not affected by A2AR agonist or antagonist. Moreover, for the first time it was shown that chronic in vivo blockade of A2AR by a selective antagonist, prevents the facilitatory action of BDNF upon ex-vivo CA1 hippocampal LTP and decreases both mRNA and protein levels of the TrkB-FL receptor in rat hippocampus. In conclusion, the present work shows that Aβ induces a TrkB-FL cleavage mediated by calpain and impairs BDNF-mediated effects in synaptic plasticity and neurotransmitter release in a calpain-dependent way. While the BDNF action upon synaptic plasticity is abolished under chronic in vivo A2AR blocking conditions, the protective actions of this neurotrophin against Aβ toxicity were found to be dependent on A2AR activation.O factor neurotrófico derivado do cérebro (Brain-derived neurotrophic factor- BDNF) e o seu receptor de alta afinidade, TrkB-FL, desempenham um papel central no sistema nervoso, dado que promovem suporte trófico aos neurónios e que regulam a transmissão e plasticidade sinápticas. A sinalização mediada pelo BDNF encontra-se diminuída na doença de Alzheimer (Alzheimer’s disease -AD), uma doença neurodegenerativa na qual ocorre acumulação do péptido beta amilóide (amyloid-beta -Aβ). Apesar dos mecanismos envolvidos na redução da sinalização mediada pelo BDNF na AD não serem totalmente conhecidos, o restabelecimento das acções do BDNF tem sido considerado como uma estratégia promissora para a terapêutica desta doença. Na última década tornou-se claro que a maioria das acções sinápticas do BDNF, incluindo as acções na transmissão e plasticidade sinápticas e também na libertação de neurotransmissores, é dependente da activação dos receptores A2A da adenosina (A2AR). Contudo, o uso de antagonistas dos A2AR tem sido apontado como uma possível estratégia terapêutica para o tratamento da AD. Dada a falta de evidências que clarifiquem os mecanismos envolvidos nas alterações da sinalização mediada pelo BDNF e o conhecimento de que a activação dos A2AR facilita a maioria das acções sinápticas do BDNF, o objectivo principal desta tese foi estudar o impacto dos péptidos Aβ e dos A2AR na sinalização mediada pelo BDNF. Este trabalho revelou que, em culturas primárias de neurónios corticais, o Aβ aumenta os níveis de mRNA dos receptores TrkB truncados, TrkB-T1 e TrkB-T2, sem afectar os níveis de mRNA dos receptores TrkB completos, TrkB-FL. Por outro lado, verificou-se que o Aβ aumenta os níveis proteicos do conjunto de receptores TrkB truncados e que diminui os níveis proteicos dos receptores TrkB-FL, por um mecanismo independente da proliferação glial e da activação de caspases. Foi ainda possível concluir que o Aβ induz a clivagem, mediada por calpaínas, dos receptores TrkB-FL, esta clivagem dá-se após o local de ligação da Shc e antes do início do domínio de cinase de tirosina, pelo que origina um novo receptor TrkB truncado (TrkB-T’), contendo o local de ligação à Shc, e um novo fragmento intracelular (TrkBintracellular domain- ICD), contendo a totalidade do domínio da cinase. No entanto, a presença destes fragmentos, não mostrou afectar a fosforilação do receptor TrkB-FL induzida pela exposição ao BDNF. Interessantemente, foi possível detectar o fragmento TrkB-ICD em uma amostra, post-mortem, de cérebro humano. Mostrou-se também que a inibição das calpaínas previne as alterações dos níveis proteicos das isoformas do TrkB, induzidas pelo Aβ, sem afectar as alterações ao nível do mRNA do TrkB. Por outro lado, este trabalho revelou que o BDNF exógeno reduz a activação da caspase-3 e das calpaínas induzida pelo Aβ, de uma forma independentemente dos A2AR. Em fatias de hipocampo de ratos adultos, este trabalho mostrou que o Aβ diminui as acções do BDNF na plasticidade sináptica, nomeadamente na potenciação de longa duração (Long-term potentiation, LTP) na área CA1 do hipocampo, bem como no seu efeito sobre libertação de neurotransmissores (GABA e glutamato) de sinaptosomas. Notavelmente, o inibidor das calpaínas, MDL28170, mostrou restabelecer os efeitos do BDNF, na presença do péptido Aβ, tanto na plasticidade sináptica como na libertação de neurotransmissores. Este trabalho permitiu ainda concluir que o bloqueio crónico dos A2AR, in-vivo, através da administração de um antagonista selectivo (KW-6002), previne o efeito potenciador do BDNF na LTP, registada ex-vivo na área CA1 do hipocampo, e que diminui os níveis de mRNA e de proteína do receptor TrkB-FL, no hipocampo de rato. Em suma, o presente trabalho revelou que o péptido Aβ induz a clivagem dos receptores TrkB-FL, mediada pelas calpaínas, e que bloqueia as acções mediadas pelo BDNF na plasticidade sináptica e na libertação de GABA e glutamato por um mecanismo dependente da actividade das calpaínas. Se por um lado, o efeito do BDNF na plasticidade sináptica é perdido aquando da inibição crónica dos A2AR, o efeito protector desta neurotrofina contra a toxicidade induzida pelo Aβ mostrou-se independente da activação dos A2AR.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT
