Role of striatal-enriched protein tyrosine phosphatase STEP in the nigrostriatal pathway

Abstract

Protein tyrosine phosphorylation plays a central role in numerous neuronal processes. It has been implicated in axonal growth, synapse formation, cell-cell and cell-extracellular matrix interactions and differentiation. To regulate these processes, there is a balance between the level of phosphorylation caused by protein tyrosine kinases and the opposing action of protein tyrosine phosphatases. The striatal-enriched protein tyrosine phosphatase (STEP) is a brain-specific phosphatase involved in neuronal signal transduction. STEP is present in high levels in medium spiny neurons of the striatum - the dopaminoceptive neurons - where it is regulated by dopamine receptors. STEP mRNA is alternatively spliced into the membrane-associated STEP61 and the cytosolic STEP46. Both isoforms are expressed in the striatum, whereas the other brain areas only express STEP61. STEP pathway is altered in some neurodegenerative diseases, however, there is no information on the expression of STEP in Parkinson’s disease (PD). PD is characterized by the progressive degeneration of dopaminergic neurons from the substantia nigra that project to the striatum resulting in reduced striatal levels of dopamine, a neurotransmitter that regulates STEP activity. In this way, the main goal of the present research activity was to determine if changes in dopaminergic signaling, resultant from a selective dopaminergic lesion in Parkinson’s disease models, can influence the expression of STEP in the nigrostriatal pathway. Besides the strong expression of STEP in the striatum, we observed that STEP is also expressed by midbrain dopaminergic neurons and its expression varies along development, however, the expression profile is different in both regions. With this work we intended to deepen if STEP expression is regulated by the dopaminergic lesion using PD models. Recurring to a cellular and mouse model of the disease, we observed that levels of STEP are increased in PD. For the determination of this effect, neuron-astrocytes midbrain co-cultures were previously stimulated with MPP+ and, in parallel, young adult C57BL/6 mice were submitted to an intraperitoneal injection of MPTP. The extension of the lesion was determined in both models by assessing both the number of dopaminergic neurons and the levels of tyrosine hydroxylase. Since MPTP is converted to MPP+ in astrocytes, we further investigated if midbrain astrocytes can be modified by these stimuli and we also evaluated if the changes in STEP expression were associated with increased reactivity of astrocytes. In vitro, we did not observe STEP expression in astrocytes. However, in vivo, we observed increased levels of a marker of astrocyte reactivity in the substantia nigra in parallel with increased levels of STEP. These studies indicate that there is a relation between STEP expression and dopaminergic lesion and, perhaps this relation may be critical for the pathogenesis of PD and therefore it can be considered a potential therapeutic target.

A fosforilação proteica através dos resíduos de tirosina tem um papel importante em vários processos neuronais. Esta tem sido implicada no crescimento axonal, em interações célulacélula, célula-matriz extracelular e na diferenciação. Para regular estes processos existe um equilíbrio entre o nível de fosforilação provocado pelas cinases de resíduos de tirosina e a ação oposta provocada pelas fosfatases de resíduos de tirosina. A proteína fosfatase de resíduos de tirosina enriquecida no estriado (STEP – Striatal Enriched Protein Tyrosine Phosphatase) é uma fosfatase específica do cérebro e encontra-se envolvida na transdução de sinal neuronal. A STEP está presente em níveis elevados nos neurónios espiculados médios do estriado - neurónios dopaminoceptivos - que são regulados pelos recetores da dopamina. O ARN mensageiro da STEP origina alternadamente a STEP61, uma isoforma associada à membrana e a STEP46, uma isoforma citosólica. Ambas as isoformas são expressas no estriado enquanto que outras regiões do cérebro expressam apenas a isoforma STEP61. A via da STEP está alterada em algumas doenças neurodegenerativas, no entanto, não há informação sobre a expressão da STEP na Doença de Parkinson (DP). A DP é caracterizada pela progressiva degeneração dos neurónios dopaminérgicos da substantia nigra que projetam para o estriado, resultando em níveis reduzidos de dopamina no estriado, sendo esta considerada um neurotransmissor regulador da atividade da STEP. Assim, com este estudo pretendemos avaliar se alterações na sinalização dopaminérgica, resultantes de uma lesão dopaminérgica seletiva em modelos da Doença de Parkinson, influenciam a expressão de STEP na via nigroestriatal. Apesar da forte expressão da STEP no estriado, observou-se que esta também é expressa pelos neurónios dopaminérgicos do mesencéfalo e que a sua expressão varia ao longo do desenvolvimento. No entanto, o perfil de expressão da STEP é diferente em ambas as regiões. Com este trabalho, pretendeu-se aprofundar se a expressão de STEP é regulada por uma lesão dopaminérgica em modelos de DP. Recorrendo a modelos, in vitro e in vivo, foi possível observar que os níveis de STEP estão aumentados em modelos da DP. Para determinar este efeito, culturas mistas de neurónios e astrócitos do mesencéfalo foram previamente estimuladas com MPP+ e, em paralelo, ratos C57BL/6 adultos foram submetidos a uma injeção intraperitoneal de MPTP. A extensão da lesão foi determinada em ambos os modelos pela quantificação dos neurónios dopaminérgicos e pelos níveis de tirosina hidroxilase. Investigouse ainda se a lesão neuronal promovia um aumento da reatividade dos astrócitos e se este aumento de reatividade poderia afetar a expressão de STEP.