Physio-pathological role of ecto-5’-nucleotidase – a new target for neuroprotection

Abstract

Adenosine is a neuromodulator in the central nervous system (CNS) that inhibits basal synaptic transmission through the action of adenosine A1 receptors (A1R) under low levels of stimulation and facilitates synaptic plasticity through the activation of adenosine A2A receptors (A2AR) upon higher levels of stimulation. This results from the fact that under high stimulation levels there is a preferential release of ATP, although it is not know why this release occurs under these circunstances. In the brain, ATP is stored in synaptic vesicles and released in an activity-dependent manner. Once in the extracellular side, it is catabolised through the action of ecto-nucleotidases to its metabolites ADP, AMP and adenosine. The final step of this catabolism is performed by ecto-5’-nucleotidase (CD73), the rate-limiting player controlling the formation of ATP-derived adenosine from AMP. Although there are some evidences showing a direct relationship between CD73 function and A2AR activation, this link remains unclear. We now show in which circumstances the main source of adenosine, ATP, is preferential released and why. Furthermore, we tested the physiopathological role of CD73, since there is a parallel upregulation of A2AR and CD73 in brain damage situations, thus suggesting a key role for ATP-derived adenosine in formatting abnormal plastic changes in brain circuits. It was found that the pattern of ATP release from nerve terminals is different from that of classical neurotransmitters and follows a peptidergic-like pattern. ATP is mostly released from large dense core vesicles (LDCV) in a manner sensitive to L-type channels that are typically recruited at higher intensities of nerve stimulation. In mouse hippocampus, ATP-derived adenosine resulting from CD73 activity selectively activates neuronal A2AR to control synaptic plasticity. Similarly to A2AR CD73 is upregulated in a mouse model of early Alzheimer’s disease (AD) based on the intracerebroventricular administration of the neurotoxic peptide Aβ1-42. This increased CD73 activity appears to be critically required for the impairment of synaptic plasticity and memory with the synaptic deficits and behavioural changes being fully prevented in mice where CD73 is deleted or pharmacologically blocked. Finally, it was detected a new physiological role for CD73. Under certain circunstances, CD73 can be looked upon as a new target to modulate mouse behaviour since it was observed for the first time that CD73, being the main source of ATP-derived adenosine in the brain, controls fear-related processes. Overall, our observations help understanding why ATP is preferentially released under high stimulation levels, sustaining hippocampal synaptic plasticity processes through its conversion to adenosine. This establishes a new regulatory role of CD73 activity over neuronal A2AR and implying CD73 as a novel target for A2AR modulation in AD.

A adenosina é um neuromodulador no sistema nervoso central (CNS) que inibe a transmissão sináptica basal, através da ativação dos receptores A1 (A1R), durante baixos niveis de estimulação e facilita a plasticidade sináptica, através da ativação de receptores A2A (A2AR), durante altos níveis de estimulação. Isto resulta do facto de após estímulos de alta intensidade existir uma libertação preferencial de ATP, embora ainda não se saiba o porquê de esta libertação ocorrer nestas cisrcunstâncias. No cérebro, o ATP é armazenado em vesículas sinápticas e libertado de uma froma dependente da actividade. Quando libertad no espaço extracelular, o ATP é catabolisado, através da acção de ecto-nucleotidases, nos seus metabolitos ADP, AMP e adenosina. O ultimo passo deste processo metabólico é promovido pela ecto-5’-nucleotidase (CD73), que se apresenta como o principal controlador da taxa de catabolismo do AMP em adenosina. Embora já existam algumas evidências que mostram uma realação direta entre a função da CD73 e a ativação dos A2AR, a importância fisiológica desta relação continua praticamente desconhecida. Clarificamos agora, não só em que circunstâncias, o ATP é preferencialmente libertado, mas também o papel fisiopatológico da CD73, uma vez que, tal como os A2AR, apresentou um aumento de densidade em situações patológicas, conferindo assim à adenosina proveniente do ATP um papel fundamental na formação de alterações plásticas anormais nos circuitos cerebrais. Foi observado que o perfil de libertação de ATP em terminais nervosos é disitinto quando comparado com os neurotransmissores clássicos, sendo semelhante ao perfil de libertação de peptídeos. O ATP é preferencialmente libertado de vesículas sinápticas de alta densidade (LDCV), estando essa libertação dependente da ativação de canais de Ca2+ tipo L que são precisamente aqueles que são recrutados durante níveis de estimulação elevados. No hipocampo de ratinho observou-se que a adenosina proveniente do ATP e da actividade da CD73, ativa selectivamente os A2AR neuronais controlando assim a plasticidade sináptica. Similarmente ao que acontece com os A2AR, também a CD73 apresentou um aumento de densidade num modelo animal da doença de Alzheimer, após a administração intracerebroventricular de Aβ1-42, um peptídeo neurotóxico. Este aumento na densidade e atividade da CD73 parece ser fundamental para promover o prejuízo na plasticidade sináptica e na memória tendo como consequência diretas, défices sinápticos e alterações comportamentais. Consequências essas, que foram totalmente prevenidas em animais onde a CD73 foi geneticamente removida ou farmacologicamente bloqueada. Finalmente, e face a estas observações, foi atribuído à CD73 um novo papel fisiológico. Em determinadas circunstâncias, a CD73 pode ser olhada como um novo alvo modulador do comportamento de ratinhos uma vez que foi observado pela primeira vez que, sendo a principal fonte de adenosina proveniente do ATP no cérebro, controla processos de memória relacionados com o medo. Em suma, as nossas observações ajudam a compreender porque é que o ATP é preferencialmente libertado em circunstâncias de estimulação de alta intensidade, sustentando assim processos de plasticidade sináptica, no hipocampo de ratinho, através da sua conversão em adenosina. Estabelecemos assim um novo papel regulador da atividade da CD73, implicando-a como um novo alvo para controlar os efeitos terapêuticos dos A2AR na doença de Alzheimer.