Importance of COMT in the regulation of prefrontal dopamine

The prefrontal cortex (PFC), located in the anterior region of the frontal lobe, is considered to have several key roles in higher cognitive and executive functions. In general, the PFC can be seen as a coordinator of thought and action allowing subjects to behave in a goal-directed manner. Due to its anatomical connections with a variety of cortical and subcortical structures, several neurotransmitters, including dopamine, are involved in the regulation of PFC activity. In general, the majority of released dopamine is cleared by the dopamine transporter (DAT). In the PFC however, the number of presynaptic DAT is diminished, emphasizing the relative importance of catechol-O-methyltransferase (COMT) in dopamine metabolism. As a result, the role of COMT in the etiology of psychotic disorders is under constant debate. The present study investigated the role of COMT in prefrontal cortical dopamine metabolism by different neurochemical methods in COMT knockout (COMT-KO) mice. Pharmacological tools to inhibit other dopamine clearing mechanisms were also used for a more comprehensive and collective picture. In addition, this study investigated how a lack of the soluble (S-) COMT isoform affects the total COMT activity as well as the pharmacokinetics of orally administered L-dopa using mutant mice expressing only the membrane-bound (MB-) COMT isoform. Also the role of COMT in striatal and accumbal dopamine turnover during Δ9-tetrahydrocannabinol (THC) challenge was studied. We found markedly increased basal dopamine concentrations in the PFC, but not the striatum or nucleus accumbens (NAcc), of mice lacking COMT. Pharmacological inhibition of the noradrenaline transporter (NET) and monoamine oxidase (MAO) elevated prefrontal cortical dopamine levels several-fold, whereas inhibition of DAT did not. The lack of COMT doubled the dopamine raising effects of NET and MAO inhibition. No compensatory expression of either DAT or NET was found in the COMT-KO mice. The lack of S-COMT decreased the total COMT activity by 50-70 % and modified dopamine transmission and the pharmacokinetics of exogenous Ldopa in a sex and tissue specific manner. Finally, we found that subsequent tolcapone and THC increased dopamine levels in the NAcc, but not in the striatum. Conclusively, this study presents neurochemical evidence for the important role of COMT in the PFC and shows that COMT is responsible for about half of prefrontal cortical dopamine metabolism. This study also highlights the previously underestimated proportional role of MB-COMT and supports the clinical evidence of a gene x environment interaction between COMT and cannabis.

Väitös käsittelee sekä keskushermostossa että perifeerisissä kudoksissa toimivaa katekoli-O-metyylitransferaasi (COMT) entsyymiä, erityisesti aivojen etuosassa sijaitsevan etuaivokuoren toiminnan kannalta. Normaalisti toimiva etuaivokuori koordinoi kognitiivisia toimintoja sekä ylläpitää itsekuria mahdollistaen päämäärätietoisen ja tavoitteellisen käyttäytymisen, kun taas esimerkiksi aktiivisuuden aleneminen, niin kutsuttu hypofrontaalisuus, on liitetty esimerkiksi skitsofrenian syyoppiin. Etuaivokuoren toimintaa säätelevät lukuisat hermovälittäjäaineet, dopamiini mukaan luettuna. COMT on lähestulkoon koko elimistössä ilmentyvä entsyymi, jonka tehtävänä on hajottaa katekoliamiinirakenteita sisältäviä yhdisteitä, muun muassa hermovälittäjäaine dopamiinia. Suurimassa osassa keskushermoa hermosolusta vapautunut dopamiini poistetaan hermoliitoksesta dopamiinin takaisinottoproteiinin (DAT) toimesta. Etuaivokuorella DAT:n määrä on kuitenkin vähentynyt, korostaen näin ollen muun muassa COMT:n suhteellista merkitystä. Aikaisemmat tutkimukset ovat painottaneet COMT:n tärkeyttä etuaivokuoren dopamiinimetaboliassa, mutta varsinaista kvantitointia eri entsyymien ja takaisinottoproteiinien osuudesta ei ole tehty. Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli selvittää COMT:n neurokemiallista merkitystä etuaivokuoren dopamiinimetaboliassa käyttäen COMT poistogeenisiä hiiriä. Lisäksi tutkimme muiden metaboliaan osallistuvien proteiinien suhteellisia osuuksia estämällä niiden toimintaa farmakologisten aineiden avulla sekä COMT entsyymipuutoksen aiheuttamaa mahdollista korvaavaa ilmentymistä takaisinottoproteiinien osalta. Väitöskirjassa tutkimme myös miten soluliman liukoisen S-COMT:n puuttuminen vaikuttaa COMT:n kokonaisaktiivisuuteen ja suun kautta annostellun L-dopan farmakokinetiikkaan hiirillä, jotka ilmentävät vain solunsisäisiin kalvoihin sitoutunutta MB-COMT:ia. Tämän lisäksi selvitimme COMT:n vaikutusta striatumin ja akkumbens tumakkeen dopamiinimetaboliaan Δ9-tetrahydrokannabinolin (THC) annostelun jälkeen. Tulosten perusteella COMT:n puuttuminen nostaa perustason solunulkoista dopamiinipitoisuutta etuaivokuorella, muttei striatumissa tai akkumbens tumakkeessa. Lisäksi COMT poistogeenisillä hiirillä tehdyissä kokeissa todettiin sekä noradrenaliinin takaisinottoproteiinin (NET) että monoamiinioksidaasin (MAO) eston moninkertaistavan etuaivokuoren dopamiinipitoisuuden, kun taas villityypin hiirillä pitoisuuden nousu jäi vain noin puoleen tästä. COMT poistogeenisillä hiirillä ei todettu DAT tai NET-proteiinien määrän lisääntymistä, mikä viittaa dopamiinipitoisuuden muutoksen johtuvan ainoastaan COMT:n puuttumisesta. S-COMT:n puuttuminen vähensi entsyymin kokonaisaktiivisuutta kudoksesta riippuen 50-70 %:lla. Lisäksi tämän entsyymimuodon puuttuminen vaikutti solunulkoisen dopamiinin metaboliaan sekä suun kautta annetun L-dopan farmakokinetiikkaan kudos- ja sukupuoliriippuvaisesti. Viimeiseksi osoitimme, että akkumbenstumakkeen dopamiinitasot kohosivat tolkaponin avulla aikaansaadun COMT-eston ja THC:n yhteisvaikutuksesta. Samaa ilmiötä ei todettu yksittäisillä lääkeaineilla tehdyissä kokeissa, eikä sitä myöskään nähty striatumin alueella. Väitöskirjan tulokset osoittavat COMT:n olevan tärkeä osa etuaivokuoren dopamiinimetaboliaa, hajottaen suhteellisesti noin 50 %:a vapautetusta dopamiinista. Tutkimus korostaa myös aikaisemmin aliarvioidun MB-COMT:n osuutta suhteessa S-COMT:iin, sekä tukee kliinistä näyttöä COMT:n ja kannabiksen välisestä geeni x ympäristö vuorovaikutuksesta.