Agonist-induced desensitization of dopamine D1 receptor-stimulated adenylyl cyclase activity is temporally and biochemically separated from D1 receptor internalization.

The regulation of the dopamine D1 receptor was investigated by using c-myc epitope-tagged D1 receptors expressed in Sf9 (fall armyworm ovary) cells. Treatment of D1 receptors with 10 microM dopamine for 15 min led to a loss of the dopamine-detected high-affinity state of the receptor accompanying a 40% reduction in the ability of the receptor to mediate maximal dopamine stimulation of adenylyl cyclase activity. After 60 min of agonist exposure, 45 min after the occurrence of desensitization, 28% of the cell surface receptors were internalized into an intracellular light vesicular membrane fraction as determined by radioligand binding and supported by photoaffinity labeling, immunocytochemical staining, and immunoblot analysis. Pretreatment of cells with concanavalin A or sucrose completely blocked agonist-induced D1 receptor internalization without preventing agonist-induced desensitization, indicating a biochemical separation of these processes. Collectively, these findings indicate that the desensitization of D1 receptor-coupled adenylyl cyclase activity and D1 receptor internalization are temporarily and biochemically distinct mechanisms regulating D1 receptor function following agonist activation.

Spatial learning with a minislab in the dorsal hippocampus.

We have determined the volume and location of hippocampal tissue required for normal acquisition of a spatial memory task. Ibotenic acid was used to make bilateral symmetric lesions of 20-100% of hippocampal volume. Even a small transverse block (minislab) of the hippocampus (down to 26% of the total) could support spatial learning in a water maze, provided it was at the septal (dorsal) pole of the hippocampus. Lesions of the septal pole, leaving 60% of the hippocampi intact, caused a learning deficit, although normal electrophysiological responses, synaptic plasticity, and preserved acetylcholinesterase staining argue for adequate function of the remaining tissue. Thus, with an otherwise normal brain, hippocampal-dependent spatial learning only requires a minislab of dorsal hippocampal tissue.

Neurosteroids, via sigma receptors, modulate the [3H]norepinephrine release evoked by N-methyl-D-aspartate in the rat hippocampus.

N-Methyl-D-aspartate (NMDA, 200 microM) evokes the release of [3H]norepinephrine ([3H]NE) from preloaded hippocampal slices. This effect is potentiated by dehydroepiandrosterone sulfate (DHEA S), whereas it is inhibited by pregnenolone sulfate (PREG S) and the high-affinity sigma inverse agonist 1,3-di(2-tolyl)guanidine, at concentrations of > or = 100 nM. Neither 3 alpha-hydroxy-5 alpha-pregnan-20-one nor its sulfate ester modified NMDA-evoked [3H]NE overflow. The sigma antagonists haloperidol and 1-[2-(3,4-dichlorophenyl)-ethyl]-4-methylpiperazine, although inactive by themselves, completely prevented the effects of DHEA S, PREG S, and 1,3-di(2-tolyl)guanidine on NMDA-evoked [3H]NE release. Progesterone (100 nM) mimicked the antagonistic effect of haloperidol and 1-[2-(3,4-dichlorophenyl)ethyl]-4-methyl-piperazine. These results indicate that the tested steroid sulfate esters differentially affected the NMDA response in vitro and suggest that DHEA S acts as a sigma agonist, that PREG S acts as a sigma inverse agonist, and that progesterone may act as a sigma antagonist. Pertussis toxin, which inactivates the Gi/o types of guanine nucleotide-binding protein (Gi/o protein) function, suppresses both effects of DHEA S and PREG S. Since sigma 1 but not sigma 2 receptors are coupled to Gi/o proteins, the present results suggest that DHEA S and PREG S control the NMDA response via sigma 1 receptors.

Characterization of subtype-specific antibodies to the human D5 dopamine receptor: studies in primate brain and transfected mammalian cells.

To achieve a better understanding of how D5 dopamine receptors mediate the actions of dopamine in brain, we have developed antibodies specific for the D5 receptor. D5 antibodies reacted with recombinant baculovirus-infected Sf9 cells expressing the D5 receptor but not with the D1 receptor or a variety of other catecholaminergic and muscarinic receptors. Epitope-tagged D5 receptors expressed in mammalian cells were reactive with both D5 antibodies and an epitope-specific probe. A mixture of N-linked glycosylated polypeptides and higher molecular-mass species was detected on immunoblots of membrane fractions of D5-transfected cells and also of primate brain. D5 receptor antibodies intensely labeled pyramidal neurons in the prefrontal cortex, whereas spiny medium-sized neurons and aspiny large interneurons of the caudate nucleus were relatively lightly labeled. Antibodies to the D5 dopamine receptor should prove important in experimentally determining specific roles for the D5 and D1 receptors in cortical processes and diseases.

Dopamine signaling is essential in cognitive process and motor performance

La dopamina es uno de los principales neurotransmisores del sistema nervioso central y desempeña un papel esencial en diferentes funciones: neuroendocrinas, motivacionales/emocionales y, especialmente, motoras y cognitivas. Las funciones de la dopamina están media-das en gran medida por la estimulación de sus principales receptores D1 (D1R) y D2 (D2R). En esta tesis hemos estudiado el papel que ambos receptores desempeñan en los procesos de apren-dizaje y memoria, así como la regulación que ejercen sobre las neuronas estriatales TH-immunoreactivas (TH-ir) y su posible implicación en la respuesta motora. Para abordar este proyecto hemos utilizado ratones knock-out para el receptor D1 (Drd1a-/-) y D2 (Drd2-/-) ya que no existen compuestos farmacológicos capaces de diferenciar eficazmente entre receptores dopaminérgicos de la misma familia. Además, para el estudio de las neuronas TH-ir realizamos lesiones con 6-OHDA a ratones que posteriormente recibieron un tratamiento crónico con L-DOPA, siendo este el mecanismo más eficaz para inducir la expresión de las neuronas TH-ir objeto de nuestro estudio. Para completar todo ello realizamos test conductuales que evalúan respuesta motora, como el test del cilindro, y diferentes tipos de aprendizaje y me-moria para los cuales utilizamos test específicos. Entre estos test se encuentran: los laberintos de Barnes y Morris para memoria espacial, evitación activa/pasiva y condicionamiento del mie-do para el aprendizaje asociativo, y el reconocimiento de objetos para la memoria de reconoci-miento...

Study of dopamine reactivity on platinum single crystal electrode surfaces

Dopamine is the biological molecule responsible, among other functions, of the heart beat and blood pressure regulation. Its loss, in the human body, can result in serious diseases such as Parkinson's, schizophrenia or depression. Structurally, this molecule belongs to the group of catecholamines, together with epinephrine (adrenaline) and norepinephrine (noradrenaline). The hydroquinone moiety of the molecule can be easily oxidized to quinone, rendering the electrochemical methods a convenient approach for the development of dopamine biosensors. The reactivity of similar aromatic molecules, such as catechol and hydroquinone, at well-ordered platinum surfaces, has recently been investigated in our group. In this paper, we extend these studies to the structurally related molecule dopamine. The study has been performed in neutral pH, since this is closer to the natural conditions for these molecules in biological media. Cyclic voltammetry and in situ infra-red spectroscopy have been combined to extract information about the behavior of this molecule on well-defined platinum surfaces. Dopamine appears to be electrochemically active and reveals interesting adsorption phenomena at low potentials (0.15–0.25 V vs RHE), sensitive to the single crystal orientation. The adsorption of dopamine on these surfaces is very strong, taking place at much lower potentials than the electron transfer from solution species. Specifically, the voltammetry of Pt(1 1 1) and Pt(1 0 0) in dopamine solutions shows an oxidation peak at potentials close to the onset of hydrogen evolution, which is related to the desorption of hydrogen and the adsorption of dopamine. On the other hand, adsorption on Pt(1 1 0) is irreversible and the surface appears totally blocked. Spectroscopic results indicate that dopamine is adsorbed flat on the surface. At potentials higher than 0.6 V vs RHE the three basal planes show a common redox process. The initial formation of the quinone moiety is followed by a chemical step resulting in the formation of 5,6-dihydroxyindoline quinone as final product. This oxidation process has also been investigated by vibrational spectroscopy.

Molecularly imprinted silica films prepared by electroassisted deposition for the selective detection of dopamine

Dopamine (DA) can be detected by electrochemical oxidation in conventional electrodes. However, the presence of other oxidizable species (interferents) usually present in physiological fluids at high concentrations (like ascorbic acid) makes very difficult its electrochemical detection. In the present work, glassy carbon electrodes have been modified with molecularly imprinted silica (MIS) films prepared by electroassisted deposition of sol–gel precursors. The production of MIS films was performed by adding the template molecule (DA) to the precursor sol. The molecular impression of silica was assessed showing a high coherency allowing a filtering capacity in the molecular scale. The MIS-modified electrodes present a high selectivity for the detection of DA in neutral or acidic solutions. The MIS-modified electrodes allow the amperometric determination of dopamine in solutions containing ascorbic acid with molar ratios lower than 1:50,000.

Electrochemical reactions of catechol, methylcatechol and dopamine at tetrahedral amorphous carbon (ta-C) thin film electrodes

The electrochemical reactions of dopamine, catechol and methylcatechol were investigated at tetrahedral amorphous carbon (ta-C) thin film electrodes. In order to better understand the reaction mechanisms of these molecules, cyclic voltammetry with varying scan rates was carried out at different pH values in H2SO4 and PBS solutions. The results were compared to the same redox reactions taking place at glassy carbon (GC) electrodes. All three catechols exhibited quasi-reversible behavior with sluggish electron transfer kinetics at the ta-C electrode. At neutral and alkaline pH, rapid coupled homogeneous reactions followed the oxidation of the catechols to the corresponding o-quinones and led to significant deterioration of the electrode response. At acidic pH, the extent of deterioration was considerably lower. All the redox reactions showed significantly faster electron transfer kinetics at the GC electrode and it was less susceptible toward surface passivation. An EC mechanism was observed for the oxidation of dopamine at both ta-C and GC electrodes and the formation of polydopamine was suspected to cause the passivation of the electrodes.

Role of Dopamine D2 Receptors in the Consolidation of Amphetamine-Cue Memory in Conditioned Activity in Rats

The neurotransmitter dopamine (DA) plays an essential role in reward-related incentive learning, whereby neutral stimuli gain the ability to elicit approach and other responses. In an incentive learning paradigm called conditioned activity, animals receive a stimulant drug in a specific environment over the course of several days. When then placed in that environment drug-free, they generally display a conditioned hyperactive response. Modulating DA transmission at different time points during the paradigm has been shown to disrupt or enhance conditioning effects. For instance, blocking DA D2 receptors before sessions generally impedes the acquisition of conditioned activity. To date, no studies have examined the role of D2 receptors in the consolidation phase of conditioned activity; this phase occurs immediately after acquisition and involves the stabilization of memories for long-term storage. To investigate this possible role, I trained Wistar rats (N = 108) in the conditioned activity paradigm produced by amphetamine (2.0 mg/kg, intraperitoneally) to examine the effects of the D2 antagonist haloperidol (doses 0.10, 0.25, 0.50, 0.75, 1.0, & 2.0 mg/kg, intraperitoneally) administered 5 min after conditioning sessions. Two positive control groups received haloperidol 1 h before conditioning sessions (doses 1.0 mg/kg and 2.0 mg/kg). The results revealed that post-session haloperidol at all doses tested did not disrupt the consolidation of conditioned activity, while pre-session haloperidol at 2.0 mg/kg prevented acquisition, with the 1.0 mg/kg group trending toward a block. Additionally, post-session haloperidol did not diminish activity during conditioning days, unlike pre-session haloperidol. One possible reason for these findings is that the consolidation phase may have begun earlier than when haloperidol was administered, since the conditioned activity paradigm uses longer learning sessions than those generally used in consolidation studies. Future studies may test if conditioned activity can be achieved with shorter sessions; if so, haloperidol would then be re-tested at an earlier time point. D2 receptor second messenger systems may also be investigated in consolidation. Since drug-related incentive stimuli can evoke cravings in those with drug addiction, a better understanding of the mechanisms of incentive learning may lead to the development of solutions for these individuals.

Homeostatic plasticity induced by brief activity deprivation enhances long-term potentiation in the mature rat hippocampus

Trabalho Final do Curso de Mestrado Integrado em Medicina, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2014

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

Identification and characterization of GABA, proline and quaternary ammonium compound transporters from Arabidopsis thaliana

Arabidopsis thaliana grows efficiently on GABA as the sole nitrogen source, thereby providing evidence for the existence of GABA transporters in plants. Heterologous complementation of a GABA uptake-deficient yeast mutant identified two previously known plant amino acid transporters, AAP3 and ProT2, as GABA transporters with Michaelis constants of 12.9±1.7 and 1.7±0.3 mM at pH 4, respectively. The simultaneous transport of [1-14C]GABA and [2,3-3H]proline by ProT2 as a function of pH, provided evidence that the zwitterionic state of GABA is an important parameter in substrate recognition. ProT2-mediated [1-14C]GABA transport was inhibited by proline and quaternary ammonium compounds.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.