Bone morphogenetic proteins and their antagonists: current and emerging clinical uses

Bone morphogenetic proteins (BMPs) are members of the TGFβ superfamily of secreted cysteine knot proteins that includes TGFβ₁, nodal, activins and inhibins. BMPs were first discovered by Urist in the 1960s when he showed that implantation of demineralized bone into intramuscular tissue of rabbits induced bone and cartilage formation. Since this seminal discovery, BMPs have also been shown to play key roles in several other biological processes, including limb, kidney, skin, hair and neuronal development, as well as maintaining vascular homeostasis. The multifunctional effects of BMPs make them attractive targets for the treatment of several pathologies, including bone disorders, kidney and lung fibrosis, and cancer. This review will summarize current knowledge on the BMP signalling pathway and critically evaluate the potential of recombinant BMPs as pharmacological agents for the treatment of bone repair and tissue fibrosis in patients.

Status of GPCR modeling and docking as reflected by community-wide GPCR Dock 2010 assessment

The community-wide GPCR Dock assessment is conducted to evaluate the status of molecular modeling and ligand docking for human G protein-coupled receptors. The present round of the assessment was based on the recent structures of dopamine D3 and CXCR4 chemokine receptors bound to small molecule antagonists and CXCR4 with a synthetic cyclopeptide. Thirty-five groups submitted their receptor-ligand complex structure predictions prior to the release of the crystallographic coordinates. With closely related homology modeling templates, as for dopamine D3 receptor, and with incorporation of biochemical and QSAR data, modern computational techniques predicted complex details with accuracy approaching experimental. In contrast, CXCR4 complexes that had less-characterized interactions and only distant homology to the known GPCR structures still remained very challenging. The assessment results provide guidance for modeling and crystallographic communities in method development and target selection for further expansion of the structural coverage of the GPCR universe.

Identification and validation of the dopamine agonist bromocriptine as a novel therapy for high-risk myelodysplastic syndromes and secondary acute myeloid leukemia

Myelodysplastic syndromes (MDS) represent a broad spectrum of diseases characterized by their clinical manifestation as one or more cytopenias, or a reduction in circulating blood cells. MDS is predominantly a disease of the elderly, with a median age in the UK of around 75. Approximately one third of MDS patients will develop secondary acute myeloid leukemia (sAML) that has a very poor prognosis. Unfortunately, most standard cytotoxic agents are often too toxic for older patients. This means there is a pressing unmet need for novel therapies that have fewer side effects to assist this vulnerable group. This challenge was tackled using bioinformatic analysis of available transcriptomic data to establish a gene-based signature of the development and progression of MDS. This signature was then used to identify novel therapeutic compounds via statistically-significant connectivity mapping. This approach suggested re-purposing an existing and widely-prescribed drug, bromocriptine as a novel potential therapy in these disease settings. This drug has shown selectivity for leukemic cells as well as synergy with current therapies.

D-amphetamine fails to increase extracellular dopamine levels in mice lacking alpha 1b-adrenergic receptors: relationship between functional and nonfunctional dopamine release.

It was found recently that locomotor and rewarding effects of psychostimulants and opiates were dramatically decreased or suppressed in mice lacking alpha1b-adrenergic receptors [alpha1b-adrenergic receptor knock-outs (alpha1bAR-KOs)] (Drouin et al., 2002). Here we show that blunted locomotor responses induced by 3 and 6 mg/kg d-amphetamine in alpha1bAR-KO mice [-84 and -74%, respectively, when compared with wild-type (WT) mice] are correlated with an absence of d-amphetamine-induced increase in extracellular dopamine (DA) levels in the nucleus accumbens of alpha1bAR-KO mice. Moreover, basal extracellular DA levels in the nucleus accumbens are lower in alpha1bAR-KO than in WT littermates (-28%; p < 0.001). In rats however, prazosin, an alpha1-adrenergic antagonist, decreases d-amphetamine-induced locomotor hyperactivity without affecting extracellular DA levels in the nucleus accumbens, a finding related to the presence of an important nonfunctional release of DA (Darracq et al., 1998). We show here that local d-amphetamine releases nonfunctional DA with the same affinity but a more than threefold lower amplitude in C57BL6/J mice than in Sprague Dawley rats. Altogether, this suggests that a trans-synaptic mechanism amplifies functional DA into nonfunctional DA release. Our data confirm the presence of a powerful coupling between noradrenergic and dopaminergic neurons through the stimulation of alpha1b-adrenergic receptors and indicate that nonfunctional DA release is critical in the interpretation of changes in extracellular DA levels. These results suggest that alpha1b-adrenergic receptors may be important therapeutic pharmacological targets not only in addiction but also in psychosis because most neuroleptics possess anti-alpha1-adrenergic properties.

Dopamine affects parvalbumin expression during cortical development in vitro.

This study was undertaken to determine how dopamine influences cortical development. It focused on morphogenesis of GABAergic neurons that contained the calcium-binding protein parvalbumin (PV). Organotypic slices of frontoparietal cortex were taken from neonatal rats, cultured with or without dopamine, harvested daily (4-30 d), and immunostained for parvalbumin. Expression of parvalbumin occurred in the same regional and laminar sequence as in vivo. Expression in cingulate and entorhinal preceded that in lateral frontoparietal cortices. Laminar expression progressed from layer V to VI and finally II-IV. Somal labeling preceded fiber labeling by 2 d. Dopamine accelerated PV expression. In treated slices, a dense band of PV-immunoreactive neurons appeared in layer V at 7 d in vitro (DIV), and in all layers of frontoparietal cortex at 14 DIV, whereas in control slices such labeling did not appear until 14 and 21 DIV, respectively. The laminar distribution and dendritic branching of PV-immunoreactive neurons were quantified. More labeled neurons were in the superficial layers, and their dendritic arborizations were significantly increased by dopamine. Treatment with a D1 receptor agonist had little effect, whereas a D2 agonist mimicked dopamine's effects. Likewise, the D2 but not the D1 antagonist blocked dopamine-induced changes, indicating that they were mediated primarily by D2 receptors. Parvalbumin expression was accelerated by dopaminergic reinnervation of cortical slices that were cocultured with mesencephalic slices. Coapplication of the glutamate NMDA receptor antagonist MK801 or AP5 blocked dopamine-induced increases in dendritic branching, suggesting that changes were mediated partly by interaction with glutamate to alter cortical excitability.

Clinical and biochemical responses after Gamma Knife surgery for a dopamine-secreting paraganglioma: case report.

The efficacy of Gamma Knife surgery (GKS) in local tumor control of non-secreting paragangliomas (PGLs) has been fully described by previous studies. However, with regard to secreting PGL, only one previous case report exists advocating its efficacy at a biological level. The aims of this study were: 1) to evaluate the safety/efficacy of GKS in a dopamine-secreting PGL; 2) to investigate whether the biological concentrations of free methoxytyramine could be used as a marker of treatment efficacy during the follow-up. We describe the case of a 62-year-old man diagnosed with left PGL. He initially underwent complete surgical excision. Thirty months after, he developed recurrent biological and neuroradiological disease; the most sensitive biomarker for monitoring the disease, concentration of plasma free methoxytyramine, started to increase. GKS was performed at a maximal marginal dose of 16 Gy. During the following 30 months, concentration of free methoxytyramine gradually decreased from 0.14 nmol/l (2*URL) before GKS to 0.09 nmol/l, 6 months after GKS and 0.07 nmol/l at the last follow-up after GKS (1.1*URL), confirming the efficacy of the treatment. Additionally, at 30 months there was approximately 36.6% shrinkage from the initial target volume. The GKS treatment was safe and effective, this being confirmed clinically, neuroradiologically and biologically. The case illustrates the importance of laboratory tests taking into account methoxytyramine when analyzing biological samples to assess the biochemical activity of a PGL. In addition, the identification of methoxytyramine as a unique positive biomarker could designate it for the monitoring of tumor relapse after treatments, including Gamma Knife surgery.

Alternative Time Representation in Dopamine Models

Groupe de recherche sur le système nerveux central, Département d'informatique et de recherche opérationnelle, Département de physiologie.

Étude du rôle de la dopamine et de la sérotonine dans l’effet atténuateur des antipsychotiques et de l’OSU-6162 sur la récompense induite par la stimulation du faisceau médian prosencéphalique chez le rongeur

La voie mésocorticolimbique est constitutée d’un ensemble d’éléments nerveux issus de l’aire tegmentaire ventrale mésencéphalique et projettant vers des régions corticales et sous-corticales. Les neurones à dopamine (DA) qui en font partie modulent plusieurs fonctions cognitives dont l’attention, l’apprentissage et la récompense. L’activité nerveuse des cellules à DA augmente lorsque l’organisme anticipe et reçoit une récompense, ainsi qu’au cours de la phase d’apprentissage des comportements d’appétence. Or, si l’activité dopaminergique de la voie mésocorticolimbique est désordonnée, voire aberrante, des stimuli neutres deviennent saillants et prennent une signification erronée. Cette anomalie fonctionnelle du système dopaminergique pourrait être à l’origine des symptômes psychotiques observés dans la schizophrénie. Cette hypothèse est renforcée par le fait que les médicaments antipsychotiques efficaces ont tous une activité antagoniste aux récepteurs à DA de type 2 (D2); les antipsychotiques dits classiques (i.e. halopéridole) possèdent une forte affinité pour les récepteurs D2 tandis que les antipsychotiques dits atypiques (i.e. clozapine) présentent une plus forte affinité pour les récepteurs à sérotonine de type 2a (5-HT2a) que pour les récepteurs D2. Les antipsychotiques atypiques semblent plus efficaces contre les symptômes négatifs (i.e. anhédonie) de la schizophrénie et induisent moins d’effets moteurs extrapyramidaux et de dysphorie que les antipsychotiques classiques. Il a été proposé que l’efficacité des antipsychotiques atypiques soit expliqué par leur double action antagoniste aux récepteurs 5-HT2a et D2. Afin de mieux comprendre les mécanismes de ces médicaments, nous avons étudié leurs effets sur la récompense en utilisant le modèle d’autostimulation intracérébrale (ASI) chez le rongeur. Le but de la première étude était d’évaluer l’effet d’un antagoniste sélectif des récepteurs 5-HT2a, le M100907, sur la récompense et sur l’atténuation de la récompense induite par l’halopéridole. L’hypothèse était que l’atténuation de la récompense induite par l’ajout du M100907 à l’halopéridole serait similaire à celle induite par la clozapine. Dans une seconde étude, l’effet sur la récompense d’un agoniste partiel aux récepteurs D2, l’OSU-6162, a été caractérisé sous deux conditions : i) en condition de base et ii) lorsque la neurotransmission dopaminergique est altérée par l’administration systémique de quinpirole, un agoniste des récepteurs D2/D3. Les hypothèses étaient que l’OSU-6162 i) atténuerait la récompense induite par la stimulation et ii) empêcherait l’atténuation et la facilitation de la récompense induites par le quinpirole. Les données obtenues montrent que le M100907 n’altère pas la récompense par lui-même mais réduit l’atténuation de la récompense induite par l’halopéridole. La co-administration du M100907 et de l’halopéridole induit une atténuation de la récompense d’amplitude similaire à celle induite par la clozapine, ce qui suggère que l’activité antagoniste aux récepteurs 5-HT2a de la clozapine contribue à son efficacité. Les données de la seconde étude montrent que l’OSU-6162 atténue la récompense, de manière dose-dépendante, ainsi que la facilitation, mais pas l’atténuation de la récompense induite par le quinpirole. Cette dernière observation suggère que l’OSU-6162 agit comme un antagoniste fonctionnel aux récepteurs D2 post-synaptiques. Un ensemble de données suggèrent que le comportement d’ASI constitue un modèle valide permettant d’évaluer l’efficacité antipsychotique potentielle de nouvelles molécules. Le comportement d’ASI est atténué par les antipsychotiques cliniquement efficaces mais est peu ou pas modifié par des molécules dépourvues d’activité antipsychotique. Les données obtenues dans cette thèse permettent de supposer que l’OSU-6162 possède une activité antipsychotique de nature atypique, et cela sans altérer la neurotransmission sérotoninergique.

Données nouvelles sur l’innervation à dopamine du striatum et son co-phénotype glutamatergique

Une sous-population des neurones à dopamine (DA) du mésencéphale ventral du rat et de la souris étant connue pour exprimer l'ARN messager du transporteur vésiculaire 2 du glutamate (VGLUT2), nous avons eu recours à l'immunocytochimie en microscopie électronique, après simple ou double marquage de l'enzyme de synthèse tyrosine hydroxylase (TH) et de VGLUT2, pour déterminer la présence de l'une et/ou l'autre protéine dans les terminaisons (varicosités) axonales de ces neurones et caractériser leur morphologie ultrastructurale dans diverses conditions expérimentales. Dans un premier temps, des rats jeunes (P15) ou adultes (P90), ainsi que des rats des deux âges soumis à l'administration intraventriculaire cérébrale de la cytotoxine 6-hydroxydopamine (6-OHDA) dans les jours suivant la naissance, ont été examinés, afin d'étayer l'hypothèse d'un rôle de VGLUT2 au sein des neurones DA, au cours du développement normal ou pathologique de ces neurones. Chez le jeune rat, ces études ont montré: i) la présence de VGLUT2 dans une fraction importante des varicosités axonales TH immunoréactives du coeur du noyau accumbens ainsi que du néostriatum; ii) une augmentation de la proportion de ces terminaisons doublement marquées dans le noyau accumbens par suite de la lésion 6-OHDA néonatale; iii) le double marquage fréquent des varicosités axonales appartenant à l'innervation DA aberrante (néoinnervation), qui se développe dans la substance noire, par suite de la lésion 6-OHDA néonatale. Des différences significatives ont aussi été notées quant à la dimension des terminaisons axonales marquées pour la TH seulement, VGLUT2 seulement ou TH et VGLUT2. Enfin, à cet âge (P15), toutes les terminaisons doublement marquées sont apparues dotées d'une spécialisation membranaire synaptique, contrairement aux terminaisons marquées pour la TH ou pour VGLUT2 seulement. Dans un deuxième temps, nous avons voulu déterminer le devenir du double phénotype chez le rat adulte (P90) soumis ou non à la lésion 6-OHDA néonatale. Contrairement aux observations recueillies chez le jeune rat, nous avons alors constaté: i) l'absence complète de terminaisons doublement marquées dans le coeur du noyau accumbens et le néostriatum d'animaux intacts, de même que dans les restes de la substance noire des animaux 6-OHDA lésés; ii) une très forte baisse de leurnombre dans le coeur du noyau accumbens des animaux 6-OHDA lésés. Ces observations, suggérant une régression du double phénotype TH/VGLUT2 avec l'âge, sont venues renforcer l'hypothèse d'un rôle particulier d'une co-libération de glutamate par les neurones mésencéphaliques DA au cours du développement. Dans ces conditions, il est apparu des plus intéressants d'examiner l'innervation DA méso-striatale chez deux lignées de souris dont le gène Vglut2 avait été sélectivement invalidé dans les neurones DA du cerveau, ainsi que leurs témoins et des souris sauvages. D'autant que malgré l'utilisation croissante de la souris en neurobiologie, cette innervation DA n'avait jamais fait l'objet d’une caractérisation systématique en microscopie électronique. En raison de possibles différences entre le coeur et la coque du noyau accumbens, l'étude a donc porté sur les deux parties de ce noyau ainsi que le néostriatum et des souris jeunes (P15) et adultes (P70-90) de chaque lignée, préparées pour l'immunocytochimie de la TH, mais aussi pour le double marquage TH et VGLUT2, selon le protocole précédemment utilisé chez le rat. Les résultats ont surpris. Aux deux âges et quel que soit le génotype, les terminaisons axonales TH immunoréactives des trois régions sont apparues comparables quant à leur taille, leur contenu vésiculaire, le pourcentage contenant une mitochondrie et une très faible incidence synaptique (5% des varicosités, en moyenne). Ainsi, chez la souris, la régression du double phénotype pourrait être encore plus précoce que chez le rat, à moins que les deux protéines ne soient très tôt ségréguées dans des varicosités axonales distinctes des mêmes neurones DA. Ces données renforcent aussi l’hypothèse d’une transmission diffuse (volumique) et d’un niveau ambiant de DA comme élément déterminant du fonctionnement du système mésostriatal DA chez la souris comme chez le rat.