Aβ-mediated changes in CREB and ERK activity in cultured cortical neurons: involvement of NMDA receptors

Abstract

A doença de Alzheimer (DA) é a doença neurodegenerativa mais comum no idoso. De entre os marcadores típicos da doença encontram-se as placas senis, constituídas por depósitos extracelulares do peptídeo beta-amilóide (Aβ) e as tranças neurofibrilares, cuja acumulação ocorre no hipocampo e no córtex, as duas áreas cerebrais mais afetadas na DA. Muitos estudos consideram a acumulação de Aβ como “primo movens” para a cascata de eventos causadores da morte neuronal maciça que ocorre na DA. O CREB é um dos fatores de transcrição mais importantes envolvidos na expressão de genes que conduzem à sobrevivência celular, nos processos de formação da memória, assim como na plasticidade sinática. Na DA, os níveis proteicos e a atividade do CREB têm mostrado estarem alterados. Para além disso, a ERK parece estar envolvida numa cascata de eventos que modulam, por sua vez, a atividade do CREB através da fosforilação de cinases específicas. As vias de sinalização associadas ao CREB e à ERK são sensíveis a alterações dos níveis do cálcio intracelular (Ca2+i) cuja homeostasia está desregulada na DA. Os recetores do NMDA (NMDARs) apresentam uma condutância elevada ao Ca2+, sendo a sua atividade essencial para a plasticidade sinática, uma vez que estes recetores se apresentam acoplados à excitabilidade da membrana pós-sinática; contudo, uma hiperestimulação dos NMDARs causa excitotoxicidade. Neste trabalho foram avaliadas as alterações na atividade do CREB e da ERK em neurónios corticais expostos a oligómeros de Aβ1-42, bem como o envolvimento dos NMDARs e da dependência do Ca2+ extracelular nestas células. Para além disso, analisaram-se os níveis de PGC-1a, um alvo do CREB envolvido na biogénese mitocondrial e na resposta antioxidante. Os resultados mostram que a incubação com oligómeros de Aβ1-42 produz alterações precoces nos níveis de fosforilação do CREB, refletindo a atividade do CREB, por um processo dependente do influxo de Ca2+ através dos NMDARs. Um padrão de ativação análogo foi observado para a ERK, sugerindo que as duas vias poderão estar interligadas em resposta à exposição a Aβ. Surpreendentemente, a ativação da ERK e do CREB nestas condições parece ser modulada por NMDARs contendo a subunidade GluN2A, presente maioritariamente na sinapse. Para além disso, os níveis proteicos de PGC-1a aumentaram para o mesmo tempo de exposição ao Aβ, sendo este efeito modulado também pelos NMDARs, o que sugere que o Aβ controla precocemente os níveis de PGC-1a no sentido de impedir efeitos neurotóxicos induzidos pela exposição aos oligómeros de Aβ. Também foi observado que a exposição prolongada a Aβ induziu um decréscimo dos níveis nucleares do CREB, o que está de acordo com o decréscimo tardio nas funções de sobrevivência características deste fator de transcrição. No conjunto, os dados apresentados neste trabalho sugerem que uma exposição imediata aos oligómeros de Aβ exerce efeitos benéficos nos neurónios maduros do córtex, através da ativação das vias de sinalização ERK-CREB, possivelmente associadas à ativação dos NMDARs sináticos.

Alzheimer’s disease (AD) is the most common neurodegenerative disorder in elderly. Typical hallmarks of this pathology are the extracellular deposits of amyloid-beta peptide (Aβ) peptide forming plaques and neurofibrillary tangles in the hippocampus and cortex, the main brain areas affected in AD. Many studies consider the accumulation of Aβ as “primum movens” for a cascade of events that ultimately produce massive neuronal death in selective neurons. cAMP response element-binding protein (CREB) is one of the main transcriptional factors involved in gene expression related to cell survival, memory formation and synaptic plasticity. In AD brain, CREB levels and activity were shown to be altered. In additon, extracellular-signal-regulated kinase (ERK) is involved in a cascade of events that can also modulate the activity of CREB through phosphorylation of specific kinases. Both CREB and ERK-associated signaling pathways are sensitive to intracellular Ca2+ changes (Ca2+ i), being Ca2+ i dyshomeostasis largely described to occur in AD. N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs) have a high Ca2+ conductance and are essential for synaptic plasticity, since they are connected to the excitability of post-synaptic membranes; however, overactivation of NMDARs causes excitotoxicity. In this work we evaluated the changes in CREB and ERK activities in mature cortical neurons exposed to Aβ1-42 oligomers and the involvement of NMDARs activation-mediated Ca2+ I rise in these cells. We further analysed the levels of a CREB target, PGC-1α, involved in mitochondrial biogenesis and in antioxidant response. Our findings show that incubation with Aβ1-42 oligomers produces early changes in the levels of phosphorylated CREB, reflecting CREB activity, in a process mediated by influx of Ca2+ occurring through the activation of NMDARs. A similar pattern of activation was observed for ERK, suggesting that both pathways can be connected in the response to Aβ exposure. Interestingly, ERK and CREB activation after Aβ1-42 exposure were largely modulated by GluN2Acomposed NMDARs, which are mostly present in synaptic sites. Moreover, protein levels of PGC-1α increased for the same time of exposure and this effect was also mediated by NMDARs activations, suggesting that Aβ-induced early control of PGC-1α levels may help to counteract late neurotoxic effects induced by exposure to Aβ oligomers. Moreover, prolonged Aβ exposure induced a decrease in nuclear CREB, supporting a late decline in pro-survival functions of this transcription factor. Overall,data suggest that early exposure to oligomeric Aβ1-42 exerts beneficial effects in mature cortical neurons through the activation of ERK-CREB signaling pathways, possibly linked to the activation of synaptic NMDARs.