The impact of Aβ on the Neurabin/PP1 complex

Abstract

Our brain is a complex structure constituted by neurons capable of communicating through synapses, which generally occur between the axon terminal and the dendritic spine of two different neurons. These dendritic spines are dynamic, which allow for the rapid adaptation to the different stimuli they receive. PP1 is a phosphatase protein which catalyzes the majority of dephosphorylation reactions that occur in our body. It is involved in several different functions, from glycogen metabolism to synaptic regulation. Neurabins are two structurally and functionally similar proteins, highly concentrated in dendritic spines, where they interact with several proteins – PP1 included –, and target them to receptors, the cytoskeleton and to other cellular compartments. Thus, neurabins regulate neuronal morphology and synaptic transmission, and hence, synaptic plasticity. Alzheimer’s disease is the most common neurodegenerative disease and it is characterized by the deposition of Aβ and the presence of neurofibrilliary tangles, by the loss of synapses and neuronal death, and by the gradual loss of memory and other cognitive functions. APP is an integral membrane protein which, in Alzheimer’s disease, is abnormally cleaved via the amyloidogenic pathway, thus resulting in the overproduction of a toxic peptide, Aβ, believed to be the major culprit of the changes observed in this disease. The main aim of this thesis was to study the effects of Aβ on neurabins expression and to evaluate its effects on the neurabin/PP1 complex. The results here reported showed a slight decrease in both neurabins expression levels when Aβ was added to the cells, possibly due to the morphological changes and synaptic dysfunction this peptide induces. It was also here reported that Aβ interferes with the neurabin-1/PP1 complex. This may be related to the direct effect of Aβ on neurabin-1 or due to the imbalance of phosphatases and kinases seen when Aβ is added, which could result in a decrease of neurabin-1’s affinity for PP1. The same effect was not seen with the neurabin-2/PP1 complex, possibly because they are differently regulated by several kinases. The immunocytochemistry study here performed did not show any changes between the co-localization of neurabin-1 and PP1, and allowed for assessment of cellular distribution of neurabin-1 and neurabin-2 in SH-SY5Y cells. The experimental procedures here performed allowed us to conclude that Aβ interferes with the expression of both neurabins and with the interaction between neurabin-1 and PP1. However, additional studies need to be conducted in order to understand the physiological relevance of this complex.

O nosso cérebro é uma estrutura complexa constituída por neurónios capazes de comunicar entre si através de sinapses, que geralmente ocorrem entre o terminal axonal e a espinha dendrítica de dois neurónios. Estas espinhas dendríticas são dinâmicas, permitindo assim que se adaptem aos estímulos que recebem, quer estimulantes quer inibitórios. A PP1 é uma proteína fosfatase que catalisa grande parte das reações de desfosforilação que ocorrem no nosso corpo, encontrando-se envolvida, por isso, em diversas funções, desde o metabolismo do glicogénio até à regulação sináptica. As neurabinas são duas proteínas estrutural e funcionalmente similares, muito concentradas nas espinhas dendríticas, onde interagem com diversas proteínas, incluindo a PP1, e as direcionam ou para os recetores que aqui se encontram, ou para o citoesqueleto de actina ou para outras regiões do neurónio. Assim, as neurabinas são responsáveis pela regulação da morfologia neuronal, pela transmissão sináptica e, por conseguinte, pela plasticidade sináptica. A doença de Alzheimer é a doença neurodegenerativa mais comum e é caraterizada por depósitos de Aβ e presença de tranças neurofibrilares, pela destruição de sinapses e morte neuronal, e pela perda gradual da memória e de outras funções cognitivas. A PPA é uma proteína transmembranar que, na doença de Alzheimer, é processada anormalmente pela via amiloidogénica, resultando na sobreprodução de Aβ, um peptídeo tóxico, que se crê ser o principal causador das alterações caraterísticas da doença de Alzheimer. O principal objetivo desta tese de mestrado foi avaliar o efeito do Aβ na expressão das neurabinas e na interação destas com a PP1. Os resultados aqui reportados demonstram uma ligeira diminuição de ambas as neurabinas quando o Aβ se encontra presente nas células, provavelmente pelas alterações a nível morfológico e destruição de sinapses que ocorre. Também foi aqui reportado que o Aβ interfere com o complexo neurabina-1/PP1, talvez pelo efeito direto do Aβ na neurabina-1 ou pela desregulação de fosfatases e cinases existente quando o Aβ se encontra presente no meio, levando a uma diminuição da afinidade entre a neurabina-1 e a PP1. O mesmo efeito não se verificou no complexo neurabina-2/PP1, talvez por serem reguladas de forma diferente por diferentes cinases. O estudo imunocitoquímico não demonstrou alterações a nível da co-localização entre a neurabina-1 e a PP1, e permitiu a caraterização da distribuição celular de ambas as neurabinas em células SH-SY5Y. As experiências laboratoriais realizadas nesta tese permitiram concluir que o Aβ interfere com a expressão das neurabinas e com o complexo neurabina-1/PP1. No entanto, terão que ser realizados estudos adicionais para compreender a relevância fisiológica do complexo neurabina-1/PP1.