Addressing Selective Polypharmacology of Antipsychotic Drugs Targeting the Bioaminergic Receptors through the Receptor Dynamic Conformational Ensembles

Selective polypharmacology, where a drug acts on multiple rather than single molecular targets involved in a disease, emerges to develop a structure-based system biology approach to design drugs selectively targeting a disease-active protein network. We focus on the bioaminergic receptors that belong to the group of integral membrane signalling proteins coupled to the G protein and represent targets for therapeutic agents against schizophrenia and depression. Among them, it has been shown that the serotonin (5-HT2A and 5-HT6), dopamine (D2 and D3) receptors induce a cognition-enhancing effect (group 1), while the histamine (H1) and serotonin (5-HT2C) receptors lead to metabolic side effects and the 5-HT2B serotonin receptor causes pulmonary hypertension (group 2). Thus, the problem arises to develop an approach that allows identifying drugs targeting only the disease-active receptors, i.e. group 1. The recent release of several crystal structures of the bioaminergic receptors, involving the D3 and H1 receptors provides the possibility to model the structures of all receptors and initiate a study of the structural and dynamic context of selective polypharmacology. In this work, we use molecular dynamics simulations to generate a conformational space of the receptors and subsequently characterize its binding properties applying molecular probe mapping. All-against-all comparison of the generated probe maps of the selected diverse conformations of all receptors with the Tanimoto similarity coefficient (Tc) enable to separate the receptors of group 1 from group 2. The pharmacophore built based on the Tc-selected receptor conformations, using the multiple probe maps discovers structural features that can be used to design molecules selective towards the receptors of group 1. The importance of several predicted residues to ligand selectivity is supported by the available mutagenesis and ligand structure-activity relationships studies. In addition, the Tc-selected conformations of the receptors for group 1 show good performance in isolation of known ligands from a random decoy. Our computational structure-based protocol to tackle selective polypharmacology of antipsychotic drugs could be applied for other diseases involving multiple drug targets, such as oncologic and infectious disorders.

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.

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.

Étude du système dopaminergique pré- et postsynaptique : régulation de l'autorécepteur D2 par la neurotensine et formation des synapses excitatrices dans le striatum

La dopamine (DA) est un neurotransmetteur impliqué dans la modulation de fonctions essentielles du cerveau telles que le contrôle des mouvements volontaires, le système de récompense et certains aspects de la cognition. Depuis sa découverte, la DA a attiré énormément d'attention scientifique en partie à cause des pathologies majeures associées aux dysfonctions du système DAergique, comme la maladie de Parkinson, la schizophrénie et la toxicomanie. On retrouve la majorité des neurones qui synthétisent la DA au niveau du mésencéphale ventral, dans les noyaux de la substance noire compacte (SNc) et de l'aire tegmentaire ventrale (ATV). Ces neurones projettent leurs axones dans un très dense réseau de fibres qui s'organisent en trois voies DAergiques classiques: la voie nigrostriée, la voie mésolimbique et la voie mésocorticale. La transmission DAergique s'effectue par l'activation de récepteurs de la DA qui font partie de la grande famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs). Les récepteurs de la DA sont abondamment exprimés aussi bien par les neurones DAergiques que par les neurones des régions cibles, ce qui implique que la compréhension de la signalisation et des fonctions particulières des récepteurs de la DA pré- et postsynaptiques représente un enjeu crucial dans l'étude du système DAergique. Cette thèse de doctorat se sépare donc en deux volets distincts: le premier s'intéresse à la régulation du récepteur D2 présynaptique par la neurotensine (NT), un neuropeptide intimement lié à la modulation du système DAergique; le deuxième s'intéresse au côté postsynaptique du système DAergique, plus particulièrement à la ségrégation de l'expression des récepteurs de la DA dans le striatum et aux fonctions de ces récepteurs dans l'établissement des circuits neuronaux excitateurs prenant place dans cette région. Dans la première partie de cette thèse, nous démontrons que l'activation du récepteur à haute affinité de la NT, le NTR1, provoque une internalisation hétérologue du récepteur D2, avec une amplitude et une cinétique différente selon l'isoforme D2 observé. Cette internalisation hétérologue dépend de la protéine kinase C (PKC), et nous montrons que la surexpression d'un récepteur D2 muté sur des sites de phosphorylation par la PKC ii ainsi que l'inhibition de l'expression de β-arrestine1 par ARNs interférents dans des neurones DAergiques bloquent complètement l'interaction fonctionnelle entre le NTR1 et le D2. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous démontrons d'abord que la ségrégation de l'expression des récepteurs D1 et D2 dans le striatum est déjà bien établie dès le 18e jour embryonnaire, bien qu'elle progresse encore significativement aux jours 0 et 14 postnataux. Nos résultats témoignent aussi d'un maintien complet de cette ségrégation lorsque les neurones striataux sont mis en culture aussi bien en présence ou en absence de neurones corticaux et/ou mésencéphaliques. Ensuite, nous montrons que la présence de neurones mésencéphaliques stimule la formation d’épines et de synapses excitatrices sur les neurones striataux épineux exprimant le récepteur D2 (MSN-D2). Le co-phénotype glutamatergique des neurones dopaminergiques semble nécessaire à une grande partie de cet effet. Par ailleurs, le nombre total de terminaisons excitatrices formées sur les MSN-D2 par les neurones corticaux et mésencéphaliques apparaît être régit par un équilibre dynamique. Finalement, nous démontrons que le blocage de la signalisation des récepteurs D1 et D2 de la DA n'est pas nécessaire pour la formation des synapses excitatrices des MSN-D2, alors que l'antagonisme des récepteurs glutamatergiques ionotropes diminue la densité d'épines dendritiques et contrôle de façon opposée le nombre de terminaisons excitatrices corticales et mésencéphaliques. Globalement, ce travail représente une contribution significative pour une meilleure compréhension du fonctionnement normal du système DAergique. Ces découvertes sont susceptibles d’être utiles pour mieux comprendre les dysfonctions de ce système dans le cadre de pathologies du cerveau comme la maladie de Parkinson.

Dopamine Receptor Subtypes,IP3, cAMP and cGMP Functional Regulation in Parkinsonism Induced by Unilateral Infusion of Rotenone in Rats: Recovery with Bone Marrow Cells,Serotonin and GABA Supplementation

In the present study, the effects of 5-HT, GABA and Bone Marrow Cells infused intranigrally to substantia nigra individually and in combinations on unilateral rotenone infused Parkinsonism induced rats. Scatchard analysis of DA, DA D1 and D2 receptors in the corpus striatum, cerebral cortex, cerebellum, brain stem and hippocampus showed a significant increase in the Brain regions of rotenone infused rat compared to control. Real Time PCR amplification of DA D1, D2, Bax and ubiquitin carboxy-terminal hydrolase were up regulated in the brain regions of rotenone infused rats compared to control. Gene expression studies of -Synuclien, cGMP and Cyclic AMP response element-binding protein showed a significant down regulation in Rotenone infused rats compared to control. Behavioural studies were carried out to confirm the biochemical and molecular studies.Our study demonstrated that BMC administration alone cannot reverse the above said molecular changes occurring in PD rat. 5-HT and GABA acting through their specific receptors in combination with bone marrow cells play a crucial role in the functional recovery of PD rats. 5-HT, GABA and Bone marrow cells treated PD rats showed significant reversal to control in DA receptor binding and gene expression. 5-HT and GABA have co-mitogenic property. Proliferation and differentiation of cells re-establishing the connections in Parkinson's disease facilitates the functional recovery. Thus, it is evident that 5-HT and GABA along with BMC to rotenone infused rats renders protection against oxidative, related motor and cognitive deficits which makes them clinically significant for cellbased therapy. The BMC transformed to neurons when co-transplanted with 5-HT and GABA which was confirmed with PKH2GL and nestin. These newly formed neurons have functional significance in the therapeutic recovery of Parkinson’s disease.

Actions of angiotensin II and dopamine in the medial preoptic area on prolactin secretion

Dopamine (DA) is known as a primary regulator of prolactin secretion (PRL) and angiotensin II (Ang II) has been recognized as one brain inhibitory factor of this secretion. In this work, estrogen-primed or unprimed ovariectornized rats were submitted to the microinjection of saline or Ang II after previous microinjection of saline or of da antagonist (haloperidol, sulpiride or SCH) both in the medial preoptic area (MPOA). Our study of these interactions has shown that 1) estrogen-induced PRL secretion is mediated by Ang II and da actions in the MPOA, i.e. very high plasma PRL would be prevented by inhibitory action of Ang II, while very low levels would be prevented in part by stimulatory action of da through D-2 receptors, 2) the inhibitory action of Ang II depends on estrogen and is mediated in part by inhibitory action of da through D, receptors and in other part by inhibition of stimulatory action of da through D2 receptors.

Regulation of dopaminergic pathways by retinoids: Activation of the D2 receptor promoter by members of the retinoic acid receptor–retinoid X receptor family

Dopamine is a neuromodulator involved in the control of key physiological functions. Dopamine-dependent signal transduction is activated through the interaction with membrane receptors of the seven-transmembrane domain G protein-coupled family. Among them, dopamine D2 receptor is highly expressed in the striatum and the pituitary gland as well as by mesencephalic dopaminergic neurons. Lack of D2 receptors in mice leads to a locomotor parkinsonian-like phenotype and to pituitary tumors. The D2 receptor promoter has characteristics of a housekeeping gene. However, the restricted expression of this gene to particular neurons and cells points to a strict regulation of its expression by cell-specific transcription factors. We demonstrate here that the D2 receptor promoter contains a functional retinoic acid response element. Furthermore, analysis of retinoic acid receptor-null mice supports our finding and shows that in these animals D2 receptor expression is reduced. This finding assigns to retinoids an important role in the control of gene expression in the central nervous system.

Cellular responses to psychomotor stimulant and neuroleptic drugs are abnormal in mice lacking the D1 dopamine receptor

Stimulation of dopamine D1 receptors has profound effects on addictive behavior, movement control, and working memory. Many of these functions depend on dopaminergic systems in the striatum and D1–D2 dopamine receptor synergies have been implicated as well. We show here that deletion of the D1 dopamine receptor produces a neural phenotype in which amphetamine and cocaine, two addictive psychomotor stimulants, can no longer stimulate neurons in the striatum to express cFos or JunB or to regulate dynorphin. By contrast, haloperidol, a typical neuroleptic that acts preferentially at D2-class receptors, remains effective in inducing catalepsy and striatal Fos/Jun expression in the D1 mutants, and these behavioral and neural effects can be blocked by D2 dopamine receptor agonists. These findings demonstrate that D2 dopamine receptors can function without the enabling role of D1 receptors but that D1 dopamine receptors are essential for the control of gene expression and motor behavior by psychomotor stimulants.

Binocular rivalry and visuospatial ability in individuals with schizophrenia

Visual abnormalities, both at the sensory input and the higher interpretive levels, have been associated with many of the symptoms of schizophrenia. Individuals with schizophrenia typically experience distortions of sensory perception, resulting in perceptual hallucinations and delusions that are related to the observed visual deficits. Disorganised speech, thinking and behaviour are commonly experienced by sufferers of the disorder, and have also been attributed to perceptual disturbances associated with anomalies in visual processing. Compounding these issues are marked deficits in cognitive functioning that are observed in approximately 80% of those with schizophrenia. Cognitive impairments associated with schizophrenia include: difficulty with concentration and memory (i.e. working, visual and verbal), an impaired ability to process complex information, response inhibition and deficits in speed of processing, visual and verbal learning. Deficits in sustained attention or vigilance, poor executive functioning such as poor reasoning, problem solving, and social cognition, are all influenced by impaired visual processing. These symptoms impact on the internal perceptual world of those with schizophrenia, and hamper their ability to navigate their external environment. Visual processing abnormalities in schizophrenia are likely to worsen personal, social and occupational functioning. Binocular rivalry provides a unique opportunity to investigate the processes involved in visual awareness and visual perception. Binocular rivalry is the alternation of perceptual images that occurs when conflicting visual stimuli are presented to each eye in the same retinal location. The observer perceives the opposing images in an alternating fashion, despite the sensory input to each eye remaining constant. Binocular rivalry tasks have been developed to investigate specific parts of the visual system. The research presented in this Thesis provides an explorative investigation into binocular rivalry in schizophrenia, using the method of Pettigrew and Miller (1998) and comparing individuals with schizophrenia to healthy controls. This method allows manipulations to the spatial and temporal frequency, luminance contrast and chromaticity of the visual stimuli. Manipulations to the rival stimuli affect the rate of binocular rivalry alternations and the time spent perceiving each image (dominance duration). Binocular rivalry rate and dominance durations provide useful measures to investigate aspects of visual neural processing that lead to the perceptual disturbances and cognitive dysfunction attributed to schizophrenia. However, despite this promise the binocular rivalry phenomenon has not been extensively explored in schizophrenia to date. Following a review of the literature, the research in this Thesis examined individual variation in binocular rivalry. The initial study (Chapter 2) explored the effect of systematically altering the properties of the stimuli (i.e. spatial and temporal frequency, luminance contrast and chromaticity) on binocular rivalry rate and dominance durations in healthy individuals (n=20). The findings showed that altering the stimuli with respect to temporal frequency and luminance contrast significantly affected rate. This is significant as processing of temporal frequency and luminance contrast have consistently been demonstrated to be abnormal in schizophrenia. The current research then explored binocular rivalry in schizophrenia. The primary research question was, "Are binocular rivalry rates and dominance durations recorded in participants with schizophrenia different to those of the controls?" In this second study binocular rivalry data that were collected using low- and highstrength binocular rivalry were compared to alternations recorded during a monocular rivalry task, the Necker Cube task to replicate and advance the work of Miller et al., (2003). Participants with schizophrenia (n=20) recorded fewer alternations (i.e. slower alternation rates) than control participants (n=20) on both binocular rivalry tasks, however no difference was observed between the groups on the Necker cube task. Magnocellular and parvocellular visual pathways, thought to be abnormal in schizophrenia, were also investigated in binocular rivalry. The binocular rivalry stimuli used in this third study (Chapter 4) were altered to bias the task for one of these two pathways. Participants with schizophrenia recorded slower binocular rivalry rates than controls in both binocular rivalry tasks. Using a ‘within subject design’, binocular rivalry data were compared to data collected from a backwardmasking task widely accepted to bias both these pathways. Based on these data, a model of binocular rivalry, based on the magnocellular and parvocellular pathways that contribute to the dorsal and ventral visual streams, was developed. Binocular rivalry rates were compared with performance on the Benton’s Judgment of Line Orientation task, in individuals with schizophrenia compared to healthy controls (Chapter 5). The Benton’s Judgment of Line Orientation task is widely accepted to be processed within the right cerebral hemisphere, making it an appropriate task to investigate the role of the cerebral hemispheres in binocular rivalry, and to investigate the inter-hemispheric switching hypothesis of binocular rivalry proposed by Pettigrew and Miller (1998, 2003). The data were suggestive of intra-hemispheric rather than an inter-hemispheric visual processing in binocular rivalry. Neurotransmitter involvement in binocular rivalry, backward masking and Judgment of Line Orientation in schizophrenia were investigated using a genetic indicator of dopamine receptor distribution and functioning; the presence of the Taq1 allele of the dopamine D2 receptor (DRD2) receptor gene. This final study (Chapter 6) explored whether the presence of the Taq1 allele of the DRD2 receptor gene, and thus, by inference the distribution of dopamine receptors and dopamine function, accounted for the large individual variation in binocular rivalry. The presence of the Taq1 allele was associated with slower binocular rivalry rates or poorer performance in the backward masking and Judgment of Line Orientation tasks seen in the group with schizophrenia. This Thesis has contributed to what is known about binocular rivalry in schizophrenia. Consistently slower binocular rivalry rates were observed in participants with schizophrenia, indicating abnormally-slow visual processing in this group. These data support previous studies reporting visual processing abnormalities in schizophrenia and suggest that a slow binocular rivalry rate is not a feature specific to bipolar disorder, but may be a feature of disorders with psychotic features generally. The contributions of the magnocellular or dorsal pathways and parvocellular or ventral pathways to binocular rivalry, and therefore to perceptual awareness, were investigated. The data presented supported the view that the magnocellular system initiates perceptual awareness of an image and the parvocellular system maintains the perception of the image, making it available to higher level processing occurring within the cortical hemispheres. Abnormal magnocellular and parvocellular processing may both contribute to perceptual disturbances that ultimately contribute to the cognitive dysfunction associated with schizophrenia. An alternative model of binocular rivalry based on these observations was proposed.

Roles of forced nicotine exposure and Comt gene disruption in the development of addiction-related behavioural and neurochemical changes in mice

Activation of midbrain dopamine systems is thought to be critically involved in the addictive properties of abused substances. Drugs of abuse increase dopamine release in the nucleus accumbens and dorsal striatum, which are the target areas of mesolimbic and nigrostriatal dopamine pathways, respectively. Dopamine release in the nucleus accumbens is thought to mediate the attribution of incentive salience to rewards, and dorsal striatal dopamine release is involved in habit formation. In addition, changes in the function of prefrontal cortex (PFC), the target area of mesocortical dopamine pathway, may skew information processing and memory formation such that the addict pays an abnormal amount of attention to drug-related cues. In this study, we wanted to explore how long-term forced oral nicotine exposure or the lack of catechol-O-methyltransferase (COMT), one of the dopamine metabolizing enzymes, would affect the functioning of these pathways. We also wanted to find out how the forced nicotine exposure or the lack of COMT would affect the consumption of nicotine, alcohol, or cocaine. First, we studied the effect of forced chronic nicotine exposure on the sensitivity of dopamine D2-like autoreceptors in microdialysis and locomotor activity experiments. We found that the sensitivity of these receptors was unchanged after forced oral nicotine exposure, although an increase in the sensitivity was observed in mice treated with intermittent nicotine injections twice daily for 10 days. Thus, the effect of nicotine treatment on dopamine autoreceptor sensitivity depends on the route, frequency, and time course of drug administration. Second, we investigated whether the forced oral nicotine exposure would affect the reinforcing properties of nicotine injections. The chronic nicotine exposure did not significantly affect the development of conditioned place preference to nicotine. In the intravenous self-administration paradigm, however, the nicotine-exposed animals self-administered nicotine at a lower unit dose than the control animals, indicating that their sensitivity to the reinforcing effects of nicotine was enhanced. Next, we wanted to study whether the Comt gene knock-out animals would be a suitable model to study alcohol and cocaine consumption or addiction. Although previous work had shown male Comt knock-out mice to be less sensitive to the locomotor-activating effects of cocaine, the present study found that the lack of COMT did not affect the consumption of cocaine solutions or the development of cocaine-induced place preference. However, the present work did find that male Comt knock-out mice, but not female knock-out mice, consumed ethanol more avidly than their wild-type littermates. This finding suggests that COMT may be one of the factors, albeit not a primary one, contributing to the risk of alcoholism. Last, we explored the effect of COMT deficiency on dorsal striatal, accumbal, and prefrontal cortical dopamine metabolism under no-net-flux conditions and under levodopa load in freely-moving mice. The lack of COMT did not affect the extracellular dopamine concentrations under baseline conditions in any of the brain areas studied. In the prefrontal cortex, the dopamine levels remained high for a prolonged time after levodopa treatment in male, but not female, Comt knock-out mice. COMT deficiency induced accumulation of 3,4-dihydroxyphenylacetic acid, which increased further under levodopa load. Homovanillic acid was not detectable in Comt knock-out animals either under baseline conditions or after levodopa treatment. Taken together, the present results show that although forced chronic oral nicotine exposure affects the reinforcing properties of self-administered nicotine, it is not an addiction model itself. COMT seems to play a minor role in dopamine metabolism and in the development of addiction under baseline conditions, indicating that dopamine function in the brain is well-protected from perturbation. However, the role of COMT becomes more important when the dopaminergic system is challenged, such as by pharmacological manipulation.

抑郁行为及不同抑郁亚型的多巴胺机制研究

The conceptualization of “depression” as a heterogenous disease has been widely accepted by most researchers. However, controlled experiments are rather sparse. To date, most studies demonstrated that animals with helplessness, a widely recognized behavioral index of “depression” also show varied comobidity expressions of other emotional behaviors, such as hightened or lightened anxiety level compared with controls. This means that distinct subtypes of “depression” may exist, in which different neural mechanisms may play roles. The present study aims to explore the possibility of behaviorally categorizing two depressive subtypes, referred as anxious helplessness and non-anxious helplessness, respectively. Then, by using RT-PCR, the dopamine D1, D2, D3 receptors mRNA expressions in medial prefrontal cortex (mPFC) and nucleus accubems (NAc) were quantified. The main findings are described as belows: 1. Uncontrollable shock could readily induce helpless behavior in shocked animals as a whole but with salient individual differences. Prior inescaoable shock induces subsuquent helplessness in approximately 40% shocked animals, while the other animals showed no sign of helpless expression, and were classified as non-helplessness. 2. Among helpless animals, the “subtype” of anxious helpless and non-anxious helpless could be identified according to the anxiety level evaluated by elevated plus maze. 3. D3 receptors mRNA expressions in the mPFC and NAc were increased in stressed animals after uncontrollable shock treatment. At the meanwhile, significant lower expressions of D2 receptors in the mPFC and NAc, and much lower expressions of D1 receptors in the mPFC were found in rats that did not become helpless after stress. In contrast, no significant difference between helpless and control animals was found in D1/D2 receptors mRNA expressions. 4. Based on above mentioned results, the up-regulation of D3 receptors in the mPFC and NAc may reflect a generalized effect of exposure to uncontrollalbe shock. While the down-regulation of D1\D2 receptors in the mPFC and decreased expression of D2 receptors in the NAc may be associated with adaptive or protective mechnisms which protecting animals from helplessness after uncontrollable shock treatment. 5. Futhermore, a significant negative relationship was found between anxiety level and D1 receptors expressions in the mPFC in helpless animals. Compared to the non-anxious helpless and control rats, the D1 receptors mRNA of anxious helpless rats were down-regulation in the mPFC. The present study indicated that the D1 dopamine receptor gene is associated with co-morbid depression and anxiety.

Mécanismes cellulaires de l'induction du facteur de transcription Nur77 après un traitement aux antipsychotiques

Les antipsychotiques sont utilisés en clinique depuis plus de 50 ans pour pallier aux symptômes de la schizophrénie. Malgré une recherche intensive, les mécanismes cellulaires et moléculaires responsables de l’effet clinique de cette médication demeurent encore nébuleux. Ces drogues sont reconnues comme des antagonistes des récepteurs D2 de la dopamine et peuvent moduler la transcription génique dans le striatum. Au cours des recherches qui ont mené à l'écriture de cette thèse, nous avons exploré l’expression de Nur77, un facteur de transcription de la famille des récepteurs nucléaires, afin de caractériser le rôle de la dopamine, la sérotonine, l’adénosine et le glutamate dans la régulation génique contrôlée par les antagonistes D2. En premier lieu, nous avons examiné l’impact de la co-administration d’agents sérotonergiques et adrénergiques sur l’expression de l’ARNm de Nur77 induite par l’halopéridol, un antipsychotique de première génération. Nous avons observé que le 8-OH-DPAT et le MDL11939 préviennent partiellement l’induction de Nur77 dans le striatum. Au contraire, l’idazoxan potentialise l’effet de l’halopéridol sur l’expression de Nur77 alors que le prazosin reste sans effet. Ces résultats démontrent que l’expression striatale de Nur77 induite par l’halopéridol peut être modulée à la baisse avec un agoniste 5-HT1A ou un antagoniste 5-HT2A. Par la suite, nous avons évalué dans divers paradigmes expérimentaux l’effet de l’éticlopride, un antagoniste spécifique D2, afin d’explorer davantage le mécanisme de l’effet transcriptionnel des antagonistes D2. Étonnamment, la suppression de l’isoforme D2L chez la souris D2L KO ne réduit pas la réponse de l’éticlopride dans le striatum. Par contre, une lésion corticale avec l’acide iboténique bloque l’effet de l’éticlopride sur la transcription de Nur77, suggérant un rôle du glutamate. La combinaison d’un antagoniste des récepteurs métabotropes du glutamate de types 5 (mGluR5) et d’un antagoniste des récepteurs de l’adénosine A2A abolit complètement l’augmentation de la transcription de Nur77 induit par l’éticlopride dans le striatum. La modulation directe de l’expression striatale de Nur77 par les récepteurs mGluR5 et A2A a été confirmée dans un modèle de cultures organotypiques de tranches cérébrales. Ces résultats démontrent clairement que la modulation de l’expression génique dans le striatum, à la suite d’un traitement avec un antagoniste D2 pourrait être indépendante d’une interaction directe avec les récepteurs D2 post-synaptiques, et reposerait plutôt sur son interaction avec les récepteurs D2 hétérosynaptiques des afférences corticostriées et l’activation subséquente des récepteurs post-synaptiques du glutamate et de l’adénosine. En résumé, nos résultats suggèrent que l’interaction des antipsychotiques atypiques avec les récepteurs 5-HT2A et 5-HT1A pourrait expliquer la différence dans le patron d’expression génique induit par ces drogues en comparaison avec les antipsychotiques typiques. De plus, nos résultats révèlent un nouveau mécanisme d’action des antagonistes D2 et supportent un rôle primordial du glutamate et de l’adénosine dans les effets des antipsychotiques de première génération.

Nur77 au sein des désordres dopaminergiques inhérents à la schizophrénie, la maladie de Parkinson ou la dépendance aux drogues d'abus

Cette thèse vise à mieux comprendre le rôle du facteur de transcription Nur77 au sein des fonctions physiologiques et pathologiques des voies de neurotransmission dopaminergiques des gaglions de la base. Nous basant sur une implication motrice de Nur77 au sein des dyskinésies induites à la L-DOPA (LIDs), nous avons voulu tester in vivo son implication éventuelle dans les phénomènes moteurs et de sensibilisation associés à l’amphétamine ainsi qu’une implication possible du récepteur nucléaire aux rétinoïdes RXR dont nous avons déjà démontré une implication dans les effets moteurs des antipsychotiques. Un deuxième volet de la recherche à consisté en l’étude de l’implication des extracellular signal-regulated kinase (ERK) et de la protéine kinase C (PKC) dans l’induction de l’ARNm des membres de la famille des Nurs suite à l’activation des cascades de signalisation des récepteurs dopamiergiques D1 et D2 in vivo pour une meilleure compréhension des mécanismes physiopatholoiques liés aux désordres dopaminergiques. Pour ce faire, nous avons, premièrement, soumis des souris sauvages et Nur77-/- à un paradigme de sensibilisation à l’amphétamine ainsi qu’a différents agonistes antagonistes RAR/RXR afin de tester l’implication de Nur77 et d’un éventuel complexe Nur77/RXR dans les effets de l’amphétamine. Deuxièmement, soumis des souris sauvages à une combinaison d’agonistes D1/D2 ou une injection d’antagoniste D2 avec ou sans inhibiteur (ERK1/2 ou PKC) afin de tester l’implication de ces kinases sur l’induction de l’ARNm des membres de la famille des Nurs par hybridation in situ. Nous avons ainsi pu démontrer 1- un rôle moteur de Nur77 dans les effets liés à l’amphétamine notamment avec une absence de stéréotypies et un allongement de la durée de la phase de locomotion chez les souris Nur77-/-; ainsi qu’un rôle éventuel du complexe potentiel Nur77/RXR dans les D1 à mieux définir. 2- un rôle des kinases ERKs et PKCs dans les cascades de signalisation des récepteurs dopaminergiques D1 et D2 menant à l’induction des ARNms de Nur77, Nor-1 et Nurr-1. En perspective, ces résultats nous ouvrent la voie vers une implication éventuelle de Nur77 dans les mécanismes d’apprentissage que sont le Long Terme Potentiation (LTP) et la Long Terme Depotentialisation (LTD) liés aux LIDs et à l’amphétamine.

Caractérisation pharmacologique et moléculaire des dyskinésies tardives chez un modèle de primate non humain

Les dyskinésies tardives (DT) sont des troubles moteurs associés à l’utilisation chronique des antagonistes des récepteurs dopaminergiques D2 tels que les antipsychotiques et le métoclopramide. Ces dyskinésies correspondent à une incoordination motrice portant préférentiellement sur la musculature oro-faciale. La gestion des DT s'est imposée comme défi de santé publique surtout en l’absence d’une alternative thérapeutique efficace et abordable. L’hypothèse classiquement avancée pour expliquer la physiopathologie des DT inhérente au traitement par les antipsychotiques s’articule autour de l’hypersensibilité des récepteurs dopaminergiques D2, cibles principales de ces molécules. Néanmoins, plusieurs données remettent la véracité de cette hypothèse en question. Hypothèse: nous proposons que le blocage chronique des récepteurs dopaminergiques soit effectivement responsable d’un phénomène d’hypersensibilisation mais contrairement à l’hypothèse classique, cette hypersensibilisation porterait sur des paramètres de la transmission dopaminergique autres que les récepteurs D2. De même nous postulons que cette hypersensibilisation se traduirait par des altérations des cascades signalétiques au niveau des cellules du striatum. Ces altérations aboutissent à des changements portant sur le récepteur nucléaire (Nur77), qui est hautement associé au système dopaminergique; l’induction de ces récepteurs déclencherait des cascades associées à la compensation ou à la genèse des DT. Matériels et méthodes: 23 femelles Cebus apella, réparties en 3 groupes: groupe halopéridol, groupe clozapine, et groupe contrôle, ont été exposées aux traitements respectifs pendant 6-36 mois. Après l’analyse comportementale, les animaux ont été décapités et leurs cerveaux isolés pour fin d’analyse. Hybridation in situ: nous avons fait appel à cette technique pour mesurer l’expression de l’ARNm de Nur77 et du neuropeptide enképhaline. Hybridation in situ double: nous avons exploités cette technique pour identifier les populations neuronales exprimant les récepteurs dopaminergiques D3 et localiser leur éventuelle induction. Autoradiographies des récepteurs dopaminergiques D1, D2 et D3 et autoradiographies des récepteurs i glutamatergiques mGluR5. Ces autoradiographies avaient pour objectif d’évaluer l’expression de ces différents récepteurs. Mutagenèse dirigée et transfection cellulaire: nous faisons appel à ces techniques pour reproduire le polymorphisme identifié au niveau de la région 3’UTR de l’ARNm Nur77 et évaluer l’impact que pourrait avoir ce polymorphisme sur la stabilité de l’ARNm Nur77 sinon sur l’expression de la protèine Nur77. Western Blot des kinases ERK 1 et 2: cette technique nous a servi comme moyen pour quantifier l’expression globale de ces kinases. Analyses statistiques: l’expression de l’ARNm Nur77 a été évaluée en utilisant l’analyse de la variance à un seul facteur (One way ANOVA). Nous avons procédé de la même façon pour mesurer l’expression des récepteurs D2, D3 et mGluR5. Résultats: le groupe des animaux traités par l’halopéridol montre une plus forte expression des récepteurs D3 par rapport aux sujets des autres groupes. Cette expression se produit au niveau des neurones de la voie directe. De plus, cette augmentation corrèle positivement avec la sévérité des DT. L’expression des récepteurs D2 et mGluR5 reste relativement inchangée entre les différents groupes, alors qu’un gradient d’expression a été observé pour le récepteur D1. Par ailleurs, Nur77 est induit par l’halopéridol, alors que son expression semble baisser chez les animaux traités par la clozapine. L’induction de l’expression de Nur77 par l’halopéridol est plus accrue chez les animaux non dyskinétiques. Les animaux traités par la clozapine démontrent une expression amoindrie de l’ARNm de Nur77 qui tend à être plus faible que l’expression de base. D’autre part, la présence du polymorphisme au niveau de la région 3’UTR semble affecter l’expression cellulaire de Nur77. Conclusion: ces résultats confortent notre hypothèse concernant l’existence d’un phénomène d’hypersensibilisation prenant place suite un traitement chronique par les antipsychotiques. Ce phénomène s’est traduit par une augmentation de l’expression des récepteurs D3 sans porter sur les récepteurs D2 tel que prôné classiquement. Cette hypersensibilisation des récepteurs D3 implique également l’existence d’un débalancement des voies striatales pouvant ainsi sous tendre l’apparition des DT. Ces résultats dévoilent ainsi un nouveau mécanisme qui pourrait contribuer à l’apparition des DT et pourraient permettre une meilleure gestion, nous l’espérons, des DT à l’échelle clinique.

Polymorphisms in dopamine system genes are associated with individual differences in attention in infancy

Knowledge about the functional status of the frontal cortex in infancy is limited. This study investigated the effects of polymorphisms in four dopamine system genes on performance in a task developed to assess such functioning, the Freeze-Frame task, at 9 months of age. Polymorphisms in the catechol-O-methyltransferase (COMT) and the dopamine D4 receptor (DRD4) genes are likely to impact directly on the functioning of the frontal cortex, whereas polymorphisms in the dopamine D2 receptor (DRD2) and dopamine transporter (DAT1) genes might influence frontal cortex functioning indirectly via strong frontostriatal connections. A significant effect of the COMT valine158methionine (Val158Met) polymorphism was found. Infants with the Met/Met genotype were significantly less distractible than infants with the Val/Val genotype in Freeze-Frame trials presenting an engaging central stimulus. In addition, there was an interaction with the DAT1 3′ variable number of tandem repeats polymorphism; the COMT effect was present only in infants who did not have two copies of the DAT1 10-repeat allele. These findings indicate that dopaminergic polymorphisms affect selective aspects of attention as early as infancy and further validate the Freeze-Frame task as a frontal cortex task.