La mayoría de los ligandos de GPCR que actúan como agonistas, antagonistas o agonistas inversos, se unen al mismo dominio del receptor reconocido por los agonistas endógenos, es decir, el lugar de unión ortostérico. Muchos GPCR poseen sitios alostéricos topográficamente distintos a los ortostéricos. Esto ha llevado a la identificación y estudio de ligandos que actúan como moduladores alostéricos, que pueden regular indirectamente la actividad de los ligandos ortostéricos y/o mediar directamente efectos agonista/antagonista. Este es el caso del híbrido trans-indoloquinolicidina-péptido 28 (IP28) estudiado en la primera parte de esta Tesis Doctoral. Este compuesto es un modulador alostérico de los receptores de dopamina D1, actuando como ligando ortostérico para los receptores D2, D3, D4 y D5 de dopamina; disminuyendo la afinidad del ligando y la potencia de los receptores, preservando al mismo tiempo la eficacia de los mismos y actuando como un agonista débil por si mismo. A pesar de una cierta resistencia inicial por parte de la comunidad científica, la existencia de heterómeros entre diversos receptores de neurotransmisores y neuromoduladores es, hoy por hoy, un hecho aceptado. La heteromerización implica cambios en la forma de entender la neurotransmisión. Así, los receptores no pueden considerarse como una única unidad funcional, sino como agregados multimoleculares localizados en el plano de la membrana plasmática. Bajo esta idea, en la segunda parte de esta tesis se demostró que los receptores de dopamina D2S, D4.2 y D4.4, pero no la variante D4.7 asociada con el trastorno de déficit de atención e hiperactividad (ADHD), forman heterómeros funcionales en células transfectadas y en cerebro de ratón. La coestimulación de los receptores D2S y D4 en el heterómero D2S-D4 tiene un efecto sinérgico en la señalización, hecho que no ocurre en células que expresaban la variante D4.7 o en el estriado de ratones mutados (knock-in) portadores de la variante de 7 repeticiones (D4.7) en el tercer bucle intracelular del receptor D4 de dopamina. Estos resultados indican una diferencia funcional de la variante D4.7 del receptor D4 respecto a las variantes D4.2 y D4.4, la cual puede tener implicaciones importantes para la comprensión de la patogénesis de ADHD. Otra particularidad del receptor de dopamina D4 es que es el único receptor dopaminérgico en la glándula pineal de rata sin que se conozca cual es su función a pesar de que se expresa de manera circadiana. Por tanto, la glándula pineal de rata es una región del cerebro con gran interés para investigar las características del receptor D4. Dado que la glándula pineal está bajo el control de los receptores α1B y β1 adrenérgicos, de cuya activación depende la regulación del ritmo circadiano y la síntesis y liberación de serotonina y melatonina, una posibilidad es que los receptores de dopamina D4, que en animales no presenta formas polimórficas, puedan modular la función de los receptores adrenérgicos de la glándula pineal mediante un proceso de heteromerización. Basado en esta hipótesis, en la tercera parte experimental de esta tesis se ha identificado un nuevo mecanismo que describe como la dopamina regula la función de los receptores adrenérgicos durante el ritmo circadiano. Utilizando diversas técnicas experimentales se ha puesto de manifiesto que: 1) los receptores D4 de dopamina forman heterómeros con receptores adrenérgicos α1B y β1 en células transfectadas y en la glándula pineal 2) los heterómeros α1B-D4 y β1-D4 permiten la modulación inducida por agonistas y antagonistas del receptor D4 de la activación de MAPK y Akt mediada por agonistas de los receptores adrenérgicos en células transfectadas y en la glándula pineal 3) la síntesis y la liberación de serotonina y melanina, promovida por la estimulación de los receptores adrenérgicos en la glándula pineal, está controlada por el receptor D4 a través de la activación de los heterómeros α1B-D4 y β1-D4, y 4) la modulación de los heterómeros a través de los receptores D4 depende de los ciclos circadianos de día/noche. La búsqueda de ligandos específicos para receptores que puedan acoplarse a un sistema de transferencia de energía es de gran interés, ya que las técnicas de BRET y FRET no son aplicables a tejidos ex vivo. Debido a ello, en la cuarta y última parte de esta Tesis se ha querido contribuir al desarrollo de ligandos para receptores de dopamina útiles para detectar heterómeros que contengan estos receptores. Para ello se ha desarrollado y caracterizado ergopéptidos biotinilados como herramientas para el estudio de heterómeros que contengan receptores de dopamina. Así pues, se ha utilizado una quimioteca de ergopéptidos unidos a biotina mediante un espaciador apropiado que conservan sus propiedades como ligandos de receptores de dopamina, identificándose el compuesto 13 como un agonista de elevada afinidad para los receptores D1, D2 y D3 de dopamina y convirtiéndose así en una herramienta útil para estudiar heterómeros que contengan estos receptores. / In the first part of this thesis, we obtained a trans-indoloquinolizidine-peptide hybrid (IP28) obtained by a combinatorial approach, behaved as an orthosteric ligand of all dopamine D2- like receptors (D2, D3, and D4) and dopamine D5 receptors, but as a negative allosteric modulator of agonist and antagonist binding to striatal dopamine D1 receptors. Indoloquinolizidine-peptide 28 induced a concentration-dependent hyperbolic increase in the antagonist apparent equilibrium dissociation constant values and altered the dissociation kinetics of dopamine D1 receptor antagonists. In the second part of this thesis, we show that whereas the most frequent 4-repeat (D4.4) and the 2-repeat (D4.2) variants form functional heteromers with the short isoform of the dopamine D2 receptor (D2S), the 7-repeat risk allele (D4.7) does not. D2 receptor activation in the D2S–D4 receptor heteromer potentiates D4 receptor- mediated MAPK signaling in transfected cells and in the striatum, which did not occur in cells expressing D4.7 or in the striatum of knockin mutant mice carrying the 7 repeats of the human D4.7 in the third intracellular loop of the D4 receptor. Using the same receptor, le dopamine D4R, in the third part of this thesis, we describe that the production of both melatonin and serotonin by the pineal gland is regulated by a circadian-related heteromerization of adrenergic and dopamine D4 receptors. Through α1B-D4 and β1-D4 receptor heteromers dopamine inhibits adrenergic receptor signaling and blocks the synthesis of melatonin induced by adrenergic receptor ligands. And this inhibition was not observed at hours of the day when D4 was not expressed. Finally, in the last part of this thesis, we made the systematic derivatization of two ergopeptides with different peptide-based spacers and we realized their evaluation by radioligand binding assays. Selected spacer-containing ergopeptides with minimal biological alteration and a proper anchoring point were further derivatized with a biotin reporter. Detailed characterization studies identified 13 as a biotin ergopeptide maintaining high affinity and agonist behavior at dopamine receptors, being a useful tool for the study of heteromers involving D1R, D2R, or D3R.

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La vision est un élément très important pour la navigation en général. Grâce à des mécanismes compensatoires les aveugles de naissance ne sont pas handicapés dans leurs compétences spatio-cognitives, ni dans la formation de nouvelles cartes spatiales. Malgré l’essor des études sur la plasticité du cerveau et la navigation chez les aveugles, les substrats neuronaux compensatoires pour la préservation de cette fonction demeurent incompris. Nous avons démontré récemment (article 1) en utilisant une technique d’analyse volumétrique (Voxel-Based Morphometry) que les aveugles de naissance (AN) montrent une diminution de la partie postérieure de l’hippocampe droit, structure cérébrale importante dans la formation de cartes spatiales. Comment les AN forment-ils des cartes cognitives de leur environnement avec un hippocampe postérieur droit qui est significativement réduit ? Pour répondre à cette question nous avons choisi d’exploiter un appareil de substitution sensorielle qui pourrait potentiellement servir à la navigation chez les AN. Cet appareil d’affichage lingual (Tongue display unit -TDU-) retransmet l’information graphique issue d’une caméra sur la langue. Avant de demander à nos sujets de naviguer à l’aide du TDU, il était nécessaire de nous assurer qu’ils pouvaient « voir » des objets dans l’environnement grâce au TDU. Nous avons donc tout d’abord évalué l’acuité « visuo »-tactile (article 2) des sujets AN pour les comparer aux performances des voyants ayant les yeux bandées et munis du TDU. Ensuite les sujets ont appris à négocier un chemin à travers un parcours parsemé d’obstacles i (article 3). Leur tâche consistait à pointer vers (détection), et contourner (négociation) un passage autour des obstacles. Nous avons démontré que les sujets aveugles de naissance non seulement arrivaient à accomplir cette tâche, mais encore avaient une performance meilleure que celle des voyants aux yeux bandés, et ce, malgré l’atrophie structurelle de l’hippocampe postérieur droit, et un système visuel atrophié (Ptito et al., 2008). Pour déterminer quels sont les corrélats neuronaux de la navigation, nous avons créé des routes virtuelles envoyées sur la langue par le biais du TDU que les sujets devaient reconnaitre alors qu’ils étaient dans un scanneur IRMf (article 4). Nous démontrons grâce à ces techniques que les aveugles utilisent un autre réseau cortical impliqué dans la mémoire topographique que les voyants quand ils suivent des routes virtuelles sur la langue. Nous avons mis l’emphase sur des réseaux neuronaux connectant les cortex pariétaux et frontaux au lobe occipital puisque ces réseaux sont renforcés chez les aveugles de naissance. Ces résultats démontrent aussi que la langue peut être utilisée comme une porte d’entrée vers le cerveau en y acheminant des informations sur l’environnement visuel du sujet, lui permettant ainsi d’élaborer des stratégies d’évitement d’obstacles et de se mouvoir adéquatement. / Vision is a very important tool for navigation in general. Due to compensatory mechanisms people who are blind from birth are not handicapped in spatio-cognitive abilities, nor in the formation of novel spatial maps. Despite the growing volume of studies on brain plasticity and navigation in the blind, the compensatory neural substrates or the preservation of this function remain unclear. We have recently demonstrated (article 1) by using volumetric analysis techniques (Voxel-Based Morphometry) that early blind individuals (EB) show a reduction of the posterior end of the hippocampus on the right side. This cerebral structure is important for the formation of cognitive maps. How do EB form maps of their environment with a significantly reduced posterior right hippocampus? To answer this question we chose to exploit a sensory substitution device that could potentially serve navigation in EB. This tongue display unit (TDU) is capable of transmitting pictorial imagery in the form of electricity on the tongue. Before asking our participants to navigate using the TDU, it was necessary to ascertain that they could really « see » objects in the environment using the TDU. We thus evaluated the « visuo »-tactile acuity (article 2) of EB compared to sighted blindfolded participants using the TDU. Participants later learned to negotiate a path through an obstacle course (article 3). Their task consisted of pointing to (detection), and avoiding (negotiation) obstacles while advancing through the hallway. We demonstrated that despite a reduced right posterior hippocampus, and an iii atrophied visual system (Ptito et al., 2008) EB not only were able to accomplish this task, but had a better performance than the blindfolded sighted controls. To determine what the neural correlates of navigation in EB are, we devised an fMRI compatible virtual route task conveyed through the tongue (article 4). Participants had to learn to navigate the routes and recognize them. We showed that EB use another cortical network involved in cognitive mapping than the sighted when recognizing routes on the tongue. We have emphasized neural networks connecting parietal and frontal cortices since they are re-enforced in EB. These results show that the tongue can be used as a portal to the brain by transferring pictorial information from the visual environment of participants, allowing the elaboration of strategies to avoid obstacles and move around in their environment.

Les neurones des couches superficielles du collicule supérieur et du cortex visuel primaire du rat adulte sont sensibles à de basses fréquences spatiales de haut contraste défilant à des vitesses élevées. Entre les jours post-nataux 27-30 et l’âge adulte, les fréquences temporelles optimales des neurones du cortex visuel primaire augmentent, tandis que leurs seuils de contraste diminuent. Cependant, les fréquences spatiales optimales, les valeurs de résolution spatiale et les bandes passantes spatiales de ces neurones sont, dès l’ouverture des paupières, similaires à celles observées chez le rat adulte. Ces profils de réponse neuronale suggèrent que les projections rétino-colliculaires et rétino-géniculo-corticales sont essentiellement issues de neurones ganglionnaires rétinofuges magnocellulaires et koniocellulaires. Les neurones du cortex visuel primaire du rat ayant subi des convulsions hyperthermiques présentent, dès l’ouverture des paupières, de basses fréquences spatiales optimales, de larges bandes passantes directionnelles et temporelles ainsi que des seuils de contraste élevés par rapport aux neurones du rat normal. À l’âge adulte, de basses fréquences temporelles optimales et de larges bandes passantes spatiales sont également observées chez le rat ayant subi des convulsions hyperthermiques. L’altération des profils de réponse des neurones du cortex visuel primaire du rat ayant subi de convulsions hyperthermiques suggère un déséquilibre entre les mécanismes neuronaux excitateurs et inhibiteurs de cette aire corticale. Ces résultats suggèrent également qu’un épisode unique de convulsions fébriles infantiles suffit à altérer le développement des propriétés spatio-temporelles des champs récepteurs des neurones du cortex visuel primaire. / Neurons in superficial layers of the rat superior colliculus and primary visual cortex are sensitive to highly contrasted low spatial frequencies drifting at fast speeds. Between post-natal days 27-30 and adulthood, the optimal temporal frequencies of neurons in the primary visual cortex increase, whereas their contrast thresholds decrease. However, the optimal spatial frequencies, spatial resolution values and spatial bandwidths of these neurons are, soon after eyelid opening, similar to those observed in the adult rat. These neuronal response profiles suggest that the retino-collicular and retino-geniculo-cortical projections are mainly innervated by magnocellular and koniocellular retinal ganglion cells. Neurons in the primary visual cortex of rats having experienced hyperthermic seizures are, soon after eyelid opening, sensitive to low optimal spatial frequencies and show broad directional and temporal bandwidths, as well as elevated contrast thresholds when compared to neurons of normal rats. At adulthood, low optimal temporal frequencies and broad spatial bandwidths are also observed in rats having experienced hyperthermic seizures. The alteration of response profiles of neurons in the primary visual cortex of rats having experienced hyperthermic seizures suggests an unbalance between excitatory and inhibitory mechanisms in this cortical structure. These results also suggest that a single episode of febrile seizures could be sufficient to impede the development of the spatio-temporal receptive field properties of neurons in the primary visual cortex.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal