Antidepressive and cognitive effect of physical activity associated with post-translational changes of Brain-Derived Neurotrophic Factor (BDNF)

A depressão é uma doença devastadora, com diagnóstico crescente nos tempos atuais e que tem importante impacto na qualidade de vida do indivíduo acometido e de seus familiares, além de conseqüências econômicas e sociais. Acredita-se que seja causada pela interação entre predisposição genética e fatores ambientais, tais como o estresse crônico. Embora o controle da depressão tenha um grande interesse clínico e farmacológico, os mecanismos moleculares envolvidos nesta doença ainda não estão esclarecidos. Foi proposta a "Hipótese Neurotrófica da Depressão" que postula que a redução dos níveis cerebrais do Fator Neurotrófico Derivado do Cérebro (BDNF) pode contribuir para alterações plásticas cerebrais subjacentes à fisiopatologia da depressão. Suportando esta hipótese, diversos estudos relatam que o estresse diminui a expressão hipocampal de BDNF enquanto drogas antidepressivas revertem tal diminuição. No entanto, recentemente surgiram evidências de que o BDNF promove diferentes efeitos em diferentes regiões encefálicas envolvidas com os distúrbios do humor. O BDNF é sintetizado na sua isoforma precursora (pró-BDNF) que sofre clivagem proteolítica para gerar a isoforma madura (mad-BDNF) ou ainda uma isoforma truncada. Tem sido postulado que as isoformas precursora e madura exerçam efeitos biológicos opostos sobre a plasticidade neuronal. Paralelamente, estudos clínicos revelam evidente efeito antidepressivo do exercício físico. Embora não se conheça completamente os mecanismos neurobiológicos deste efeito, sabe-se que o exercício físico promove aumentos na expressão hipocampal do BDNF. Entretanto, são raros os estudos que abordam o efeito do exercício físico sobre a clivagem proteolíca do pró-BDNF. Portanto, este estudo teve como objetivo investigar os efeitos da atividade física voluntária sobre a expressão das isoformas precursora, truncada e madura do BDNF e relacioná-las com o efeito antidepressivo e cognitivo em camundongos. Camundongos C57Bl/6 com 8-9 semanas de idade tiveram acesso a uma roda de atividade, com livre curso ou travada, por 28 dias e foram submetidos ao Teste do Nado Forçado e ao Teste de Suspensão pela Cauda, para avaliação do comportamento tipo-depressivo; e ao Teste do Labirinto Aquático de Morris, para avaliação da capacidade de aprendizagem e memória. Seus hipocampos foram dissecados e analisados por Western blot para avaliação das isoformas da proteína BDNF, e por RT-PCR em tempo real para análise da expressão dos genes da p11 e tPA, moléculas envolvidas na clivagem do pró-BDNF. Atividade física voluntária realizada pelos camundongos, mas não a simples exposição a uma roda de atividade travada, induziu um robusto aumento nos níveis hipocampais de mad-BDNF e de RNA mensageiro para p11 e tPA, associado com efeito tipo-antidepressivo e melhor desempenho de aprendizado e memória, quando comparado com a condição sedentária. Por outro lado, nenhuma diferença foi observada na expressão das isoformas pró-BDNF e truncada entre todas as condições experimentais. Os dados deste trabalho indicam que o exercício físico exerce efeito antidepressivo em parte por modular o processamento proteolítico póstraducional do precursor do BDNF, através do sistema p11/tPA, aumentando os níveis hipocampais da sua isoforma madura. Desta forma, o exercício pode estimular processos moleculares de neuroplasticidade subjacentes à maior resiliência a transtornos do humor induzidos por estresse, tais como a depressão, bem como, ao melhor desempenho de aprendizagem e memóriaDepression is a devastating disease with diagnosis increasing and that has important impact on quality of life of individuals affected and their relatives, as well as economic and social consequences. Depression is believed to be caused by the interaction between genetic predisposition and environmental factors, such as chronic stress. The "Neurotrophic Hypothesis of Depression" states that the reduction of the Brain-Derived Neurotrophic Factor (BDNF) levels may contribute to brain plastic changes underlying depression physiopathology. Supporting this hypothesis, several studies have reported that stress decreases the expression of hippocampal BDNF while antidepressant drugs reverse that decrease. However, new evidence emerged recently that BDNF promotes different effects in different brain regions involved with mood disorders. BDNF is synthesized as a precursor molecule (proBDNF) that undergoes proteolytic cleavage to generate a mature isoform (matBDNF) and a truncated isoform. Precursor and mature isoforms are assumed to elicit opposite biological effects on neuroplasticity. Besides these data, clinical studies have demonstrated an evident antidepressant effect of physical exercise. Although the neurobiological mechanisms underlying the antidepressive effect of physical exercise are not completely known, it is demonstrated that, similarly to antidepressant drugs, physical exercise increases BDNF expression in the hippocampus. However, few studies were addressed to verify the effect of physical exercise on post-translational proteolytic processing of pro-BDNF. Therefore, the present was addressed to investigate the effect of voluntary physical activity on precursor, truncated and mature BDNF isoforms expression in hippocampus, as well as whether the post-translational proteolytic processing of proBDNF is associated with an antidepressive and cognitive effect in mice. C57BL/6 mice, 8-9 weeks of age, had access to running wheel, freely mobile or locked, for 28 days and were subjected to the Forced Swimming Test and the Tail Suspension Test for evaluation of depressive behavior, and to the Morris Water Maze Test to assess learning and memory. Their hippocampi were dissected and analyzed by Western blot for evaluation of BDNF protein isoforms, and by real-time RT-PCR for expression of p11 and tPA, molecules involved in the cleavage of pro-BDNF. Voluntary physical activity performed by mice, but not the exposure to a locked running wheel, induced a robust increase in hippocampal levels of matBDNF and of p11 and tPA mRNA, associated with antidepressant effect and better cognitive performance compared with the sedentary condition. Furthermore, no difference was observed in the expression of proBDNF and truncated isoforms between all experimental conditions. In conclusion, data from this study suggests that exercise has antidepressant effects in part by modulating post-translational proteolytic processing of the precursor of BDNF, through the p11/tPA the system, increasing the levels of their mature isoform. Thus, exercise may stimulate molecular processes of neuroplasticity underlying the resilience to mood disorders induced by stress, such as depression, and the Best performance of learning and memor