Role of Ret Signaling in the Regulation of the Nigrostriatal Dopaminergic System in Mice

Abstract

Glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) enhances survival of dopamine (DA) neurons in vitro, protects DAergic neurons in animal models of Parkinson’s disease (PD), stimulates DA neuron function, regulates postnatal development and supports DA neurons during adulthood. GDNF utilizes a multireceptor complex consisting of a ligand-binding co-receptor GDNF family receptor alpha 1 (GFRα1) and a signal-transducing receptor. The major signaling receptor of GDNF is the receptor tyrosine kinase Ret, although alternative signaling receptors have been found. GDNF and its receptors are considered important targets for developing new therapies that would ameliorate the degeneration of DA neurons and loss of DA that underlie movement impairments in PD.

The present study investigated the role and significance of Ret signaling in the nigrostriatal DAergic system using mutant mice with a point mutation in Ret, which leads to constitutive activation of the Ret receptor tyrosine kinase and causes the cancer syndrome called multiple endocrine neoplasia type B (MEN2B). Immunohistochemical, neurochemical and molecular alterations in the DAergic system, as well as the behavior of the MEN2B mice, were studied. Particularly, we explored striatal DAergic neurotransmission in the MEN2B mice by using classical pharmacological tools as well as in vivo voltammetry. Also, in order to clarify the role of Ret in neuroprotection we studied effects of toxins on the DAergic system of MEN2B mice.

We found markedly increased tissue DA concentrations, increased number of DA cells in the substantia nigra, elevated TH and DAT levels in the striatum and increased sensitivity to the stimulatory effects of cocaine in the MEN2B mice with constitutively active Ret. Also, synthesis, storage, release and uptake of DA in the striatum were found to be enhanced in the MEN2B mice. Finally, constitutive Ret activity protected DA cell bodies against neurotoxicity but was ineffective in protecting their axonal terminals in the striatum.

In conclusion, this study showed that the constitutive Ret signaling supports and protects brain DA neurons, and promotes the DAergic phenotype, implicating Ret as an important signaling receptor for GDNF in the brain DAergic system.

Dopamiini on monessa suhteessa tärkeä aivojen välittäjäaine. Se osallistuu muun muassa motoristen toimintojen säätelyyn, ja Parkinsonin tauti aiheutuu juuri dopamiinia tuottavien hermosolujen asteittaisesta kuolemisesta. Gliasolulinjaperäisen hermokasvutekijän (GDNF) on osoitettu toimivan Parkinsonin taudissa tuhoutuvien keskiaivojen dopaminergisten hermosolujen ylläpitäjänä. GDNF:n on erilaisissa Parkinsonin taudin malleissa suojellut kyseisiä soluja hermomyrkkyjen vaikutuksilta, ja myös ihmisillä tehdyissä kliinisissä kokeissa GDNF-terapialla on saatu lupaavia, joskin vaihtelevia tuloksia. GDNF-järjestelmään vaikuttavat lääkeaineet ovat yksi lupaava tulevaisuuden terapiamuoto Parkinsonin taudissa, sillä nykyisistä hoidoista poiketen kasvutekijäjärjestelmän aktivaatiolla voidaan arvella olevan taudin kehittymistä hidastava, ellei jopa tautia parantava vaikutus.

Tässä väitöskirjatyössä on tutkittu hiiriä, joilla GDNF:n vaikutukset soluun välittävä tyrosiinikinaasireseptori, Ret, on mutaation seurauksena jatkuvasti aktiivinen - siis ilman GDNF:ää. Tutkimuksessa havaittiin, että näissä nk. MEN2B (Multiple Endocrine Neoplasia type 2B) hiirissä striatumin dopamiinitasot ovat nousseet ennennäkemättömän suuriksi Parkinsonin taudin kannalta olennaisessa aivonalueessa, striatumissa. Tämä johtuu voimakkaasti lisääntyneestä dopamiinin tuotannosta ja sitä syntetisoivan entsyymin, tyrosiinihydroksylaasin, määrän kohoamisesta. Myös dopamiinihermosolujen lukumäärä ja dopamiinihermovälitys on MEN2B hiirillä lisääntynyt verrokkihiiriin verrattuna. Lisäksi tutkimuksessa havaittiin, että MEN2B-hiiret ovat normaalia vastustuskykyisempiä dopamiinisoluja tuhoavalle hermomyrkylle, joka vahvasti viittaa alentuneeseen herkkyyteen kehittää Parkinsonin tauti. Tutkimus osoittaa, että Ret-tyrosiinikinaasia aktivoivillä lääkeaineilla voi olla merkitystä Parkinsonin taudin hoidossa ja taudin etenemisen hidastamisessa.