Environs 70 millions de personnes seront atteintes par la maladie d’Alzheimer (MA) en 2030 et les coûts engendrés par la prise en charge des patients affectés par cette pathologie excédera quatre fois les coûts des maladies cancéreuses. Dans le but lutter contre cette pathologie multifactorielle, des stratégies thérapeutiques combinatoires ainsi que le développement de MTDL « Multi Target Directed Ligands » suscitent un grand intérêt. Dans ce contexte, l’association d’inhibiteurs de l’acétylcholinestérase (AChE) avec les agonistes des récepteurs sérotoninergiques de type 4 (5-HT4) a montré des effets bénéfiques sur la mémoire et la protection du cerveau chez les rongeurs. Après avoir démontré l’avantage de l’association de la galantamine, un inhibiteur de l’AChE avec le RS 67333, un agoniste des récepteurs 5-HT4 dans un modèle de déficit mnésique induit par la scopolamine sur les performances de mémoires de travail et de référence, nous avons étudié le donecopride, un MTDL récemment développé, à la fois inhibiteur de l’AChE et agoniste partiel des récepteurs 5-HT4. Chez les souris sauvages, une administration unique de donecopride augmente la sécrétion du neuropeptide protecteur sAPPα et a démontré des effets anti-amnésiants et pro-cognitifs. Dans un modèle amyloïdogénique de la MA (5xFAD), six mois de traitement chronique par le donecopride ont amélioré les performances de mémoire de travail à l’âge de 9 mois, sans modifier la densité des plaques amyloïdes au niveau cérébral. Par ailleurs, nous avons également étudié les effets d’un autre composé MTDL « 7m » qui est à la fois agoniste des récepteurs 5-HT4 et antagoniste des récepteurs 5-HT6, qui a montré des effets anti-amnésiants chez les souris sauvages lorsque le déficit mnésique est induit par administration de scopolamine. Ainsi, la modulation chronique et simultanée de différentes cibles centrales d’intérêt représente un potentiel thérapeutique important dans le cadre du traitement de la MA. / In 2030, the number of people affected by Alzheimer’s disease (AD) is expected to reach almost 70 million, and the cost of the disease would be over four folds cost of cancer diseases care. To face the multifactorial disease combining drugs arouse a big interest and the concept of MTDL “Multi Target Directed Ligands” has emerged. Thus, combining acetylcholinesterase (AChE) inhibitors with serotonergic receptor type 4 (5-HT4) showed beneficial effects on memory and brain protection in rodents. First, we showed beneficial effects of galatamine, an AChE inhibitor while combined to RS 67333, a 5-HT4 receptors partial agonist, on working and reference memory performances in a pharmacological model with scopolamine-induced amnesia. Then, we assessed effects of donecopride, the AChE inhibitor and partial agonist of 5-HT4 receptors. Donecopride, which increases sAPPα release in cell culture and C57BL/6 mice, showed anti-amnesiant and pro-cognitive effects in NMRI mice. In 5xFAD mice, an amyloidogenic mice model of AD, six months of chronic treatment of donecopride improves working memory performances in 9 months old 5xFAD mice, but does not affect spatial learning performances neither flexibility. Moreover, donecopride inhibits AChE and does not affect 5-HT4 receptor expression level neither amyloid plaque density in the brain. In the other hand, we also showed that the MTDL, which modulate 5-HT4 and 5-HT6 receptors, recovers working memory performances in NMRI mice where scopolamine induced memory deficit. Thus, hitting multiple targets, particularly while administered early and chronically, accounts for a hopeful strategy to better face AD

La Maladie d’Alzheimer (MA) est la première cause de démence au monde. Un fort coût de prise en charge, associé une faible efficacité des traitements actuels font de la découverte d’une thérapie efficace une priorité. Dans ce contexte les récepteurs sérotoninergiques de type 4 (5-HT4R) représentent une cible prometteuse. En effet, l’utilisation d’agonistes des 5-HT4R chez l’animal entraîne à la fois des effets pro-mnésiants et anti-amnésiants et une action sur la physiopathologie de cette maladie. Par ailleurs, l’aspect multifactoriel de la MA a conduit à faire émerger ces derniers années un consensus quant à la nécessité du développement de stratégie thérapeutique multi-cibles. Dans un premier temps, nous avons démontré l’intérêt de l’association d’un inhibiteur de l’acétylcholinestérase (IAChE) - l’un des rares médicaments disponibles, à un agoniste des 5-HT4R (RS67333) sur les performances de mémoire de travail et de référence chez la souris. Par la suite et afin de mieux comprendre les mécanismes mises en jeu dans les effets anti-amnésiant du RS67333, nous avons étudié les effets de la stimulation des 5-HT4R sur la plasticité synaptique mesurée au moyen d’une approche ex vivo au niveau de la région CA1 de l’hippocampe chez la souris saine NMRI. En effet, la plasticité synaptique, est un élément essentiel des processus d’apprentissage et de mémoire. Une première étude chez la souris saine a montré que la stimulation des 5-HT4R inhibait la potentialisation à long terme (LTP) induite par stimulation thêta-burst (TBS). Nos résultats suggèrent que l’inhibition de la LTP par l’agoniste est médiée par une modification de la neurotransmission GABAergique. La dernière partie de mes travaux a porté sur un modèle transgénique murins mimant certains des aspects de la MA (souris 5xFAD). Ainsi, si la stimulation des 5-HT4R conduisait à des résultats similaires en terme de transmission synaptique de base ou de plasticité à long-terme, elle modifie de façon importante la plasticité à court terme. L’ensemble de ces résultats obtenus ex vivo nécessiteraient d’être associé à des mesures in vivo, pour faire le lien entre les effets sur la plasticité synaptique et les performances de mémoire. Nos travaux montrent l’existence d’une association entre les 5-HT4R et la transmission GABAergique dans la modulation de la plasticité synaptique hippocampique de la région CA1. Plus généralement, ils renforcent l’intérêt de stratégies multi-cibles contenant notamment un agoniste des 5-HT4R. / Alzheimer’s disease (AD) is the first cause of dementia in the world. Due to its high cost of care combined with the lack of efficient treatment, the discovery of an effective therapy is a priority. In that regard, 5-HT4R are a promising target. Indeed, preclinical studies showed promnesic and anti-amnesic effect of 5-HT4R agonist as well as a disease-modifying effect on amyloid processing. Furthermore, given the multifactorial aspect of AD pathophysiology, there is a consensus concerning the necessity for multi-target therapy to treat effectively this disease. First, we confirmed the beneficial effect of a combined treatment with galantamine, an IAChE, and RS67333, a 5-HT4R agonist, on working and reference memory performances in a pharmacological model of scopolamine-induced amnesia. Then, for a better understanding of the mechanisms involved in 5-HT4R stimulation-induced increase in memory performances, we investigated the effects of such stimulation on CA1 area synaptic plasticity. Indeed, synaptic plasticity is a key component of learning and memory processes. Through ex-vivo electrophysiological recordings, we demonstrated that 5-HT4R activation impairs TBS-induced LTP in wild-type healthy mice. Further experiments suggested that such impairment involves a modulation of GABAergic neurotransmission. In addition, a third study on a transgenic model of AD (5xFAD mice) showed similar results. These results, obtained exclusively ex vivo, need to be associated with in vivo experiments to close the gap with behavioral experiments and allow an interpretation of memory performances through synaptic plasticity modifications. Our work shows the existence of an interplay between 5-HT4R and GABAergic transmission in the regulation of synaptic plasticity in hippocampal CA1 area. Furthermore, we strengthen the interest toward multi-target treatment involving 5-HT4R agonists in the field of AD.

Pour comprendre comment le cerveau inhibe l'appétit en dépit d'un besoin énergétique, nous avons étudié les mécanismes neuronaux qui sous-tendent l'effet hypophagique induit par la 3,4-N-méthylén édioxyméthamphétamine (MDMA : « ecstasie ») et le stress (immobilisation forcée) car ces facteurs réduisent la faim d'un animal, même s'il est affamé. Nous montrons que la stimulation intracérébrale des récepteurs 5-HT4 de la sérotonine (R5-HT4), ou leur plus forte expression (ectopique, physiologique) dans une aire de la récompense (noyau accumbens : NAc), réduit la faim en augmentant l'action anorexigène d'un peptide de l'addiction : CART. A l'encontre de l'équilibre énergétique, l'effet anorexigène induit par la stimulation des R5-HT4 dans le NAc s'accompagne d'une hyperactivité motrice, souvent décrite chez l'humain souffrant d'anorexie mentale. En supposant qu'un effet récompensant prévaut sur le danger d'un déséquilibre énergétique, nous montrons, qu'effectivement, l'injection d'un antagoniste des R5-HT4 dans le NAc réduit les effets anorexigène, hyperlocomoteur et récompensant de la MDMA. S'il est alors récompensant de se priver d'aliments, une souris surexprimant les R5-HT4 dans le NAc, devrait, après une faible et transitoire restriction alimentaire, continuer à s'auto-priver d'aliments même si l'aliment est fourni ensuite ad libitum. La réponse est positive. En revanche, les R5-HT4 du NAc ne contribuent pas, à priori, à l'hypophagie due au stress. Puisque le système de la récompense est inclut dans celui de la prise de décision contrôlée par le cortex préfrontal médian (CPFm), nous avons supposé que l'effet hypophagique provoqué par le stress utilise les R5-HT4 corticaux. L'injection de traitements nucléiques (siRNA, virus), dans le CPFm de souris sauvages et privées des R5-HT4, montre que seule l'activation des R5-HT4 du CPFm est à l'origine de l'effet hypophagique du stress. Nos résultats suggèrent que [1] le stress active les R5-HT4 du CPFm et réduit la densité du transporteur de capture de la 5-HT, favorisant [2] l'augmentation du taux de la 5-HT extracellulaire dans le noyau d u raphé dorsal d'où, [3] un contrôle inhibiteur de l'activité des neurones 5-HT par le R5-HT1A permettant d'éviter que l'hypophagie ne se prolonge en conduite anorexigène. L'ensemble de nos résultats étayent la possibilité que le réseau neuronal de l'addiction et de la prise de décision de manger après stress inclut celui de la conduite anorexigène, avec jusqu'alors, une contribution évidente des R5-HT4. / To understand how the brain inhibits appetite despite an energy demand, we study the neuronal mechanisms, which underlie the hypophagic effect induced by the 3,4-N-methylenedioxymethamphetamine (MDMA: « Ecstasy ») and stress (forced immobilization) because these factors reduce appetite in animals, even starved. We show that stimulating serotonin 4 receptors (5-HTR4), or their overexpression (ectopic, physiological) in a brain reward area (nucleus accumbens: NAc), reduced hunger in increasing the appetite-suppressant effect of an addiction peptide: CART. Against the energy balance, the appetite-suppressant effect induced by stimulating 5-HTR4 in the NAc comes along with hyperactivity, often described in human suffering from anorexia nervosa. Supposing that a rewarding effect prevails over the danger of an energy imbalance, we show indeed that injecting 5-HTR4 antagonist in the NAc reduced the appetite-suppressant effect, the hyperactivity and the rewarding effect provoked by MDMA. If food deprivation is rewarding, mouse overexpressing 5-HTR4 in the NAc, after a low and transient diet period, should continue to self-imposed food refusal even in the presence of food ad libitum. The answer is positive. In contrast, 5-HTR4 in the NAc does not contribute, à priori, to stress-induced hypophagia. Because the reward system is included in the neuronal network of the decision-making, mainly controlled by the medial prefrontal cortex (mPFC), we postulated that hypophagia following stress uses cortical 5-HTR4. Injecting nucleic treatments (siRNA, virus), in the mPFC of wild-type or 5-HTR4 null mice, shows that only the stimulation of 5-HTR4 in the mPFC sparks off the hypophagic effect of stress. Our results suggest that [1] stress activates 5-HTR4 in the mPFC and reduces density of the 5-HT transporter, promoting [2] increase of the extracellular 5-HT level in the dorsal raphe nucleus and thus [3] an inhibitory control of t he activity of 5-HT neurons by 5-HTR1A allowing to avoid that the period of food restriction persists (anorexia-like behavior). Colectively, our findings support the the neuronal network of addiction and decision-making to eat after stress include the neuronal pathway related to anorexia, with so far, a clear contribution of 5-HTR4.

Chez les rongeurs, la mémoire procédurale est préservée alors que la mémoire « déclarative » est profondément altérée au cours du vieillissement normal ou pathologique.L’injection d’un agoniste partiel des récepteurs 5-HT4 (SL 65.0155. 0.01mg/kg) permet aux rongeurs de récupérer leurs facultés dans une tâche de discrimination olfactive, le labyrinthe olfactif par exemple.L’activation des récepteurs 5-HT4 par un agoniste pourrait être utilisée pour lutter contre les dysfonctionnements mnésiques rencontrés dans certaines pathologies neurodégénératives telle que la maladie d’Alzheimer. L’injection d’un agoniste partiel des récepteurs 5-HT4 (SL 65.0155. 0.01mg/kg) permet aux rongeurs de récupérer leurs facultés dans une tâche de discrimination olfactive, le labyrinthe olfactif par exemple.L’activation des récepteurs 5-HT4 par un agoniste pourrait être utilisée pour lutter contre les dysfonctionnements nésiques rencontrés dans certaines pathologies neurodégénératives telle que la maladie d’Alzheimer. / In normal aging or pathological brain diseases in rodents procedural memory is spared while reference memory is deeply impaired.Injection of a partial selective 5-HT4 agonist (SL65.0155. 0.01mg/kg) enabled complete recovery of association learning performance in an olfactory associative discrimination task, the olfactory tubing maze for exemple.Activation of 5-HT4 receptors by a selective agonist could be useful for the symptomatic treatment of memory dysfunctions related to pathological aging such as Alzheimer’disease.

Les actions thérapeutiques des antidépresseurs, disponibles actuellement, requièrent plusieurs semaines de traitement. Ce délai est dû aux adaptations des sites pré et post-synaptiques qui, respectivement, augmentent la disponibilité synaptique des monoamines sérotonine et noradrénaline (5-HT et NA), et entraînent les changements neuroplastiques modifiant la fonction neuronales dans les régions limbiques. Il a été récemment observé, chez un modèle animal de dépression, que l’agoniste RS67333 des récepteurs sérotoninergiques de type 5-HT4 produisait des changements comportementaux, électrophysiologiques, cellulaires et biochimiques, tel qu’observé chez les antidépresseurs. Ces changements apparaissent seulement après 3 jours de traitement tandis que les antidépresseurs nécessitent souvent plusieurs semaines. De plus, l’activation des récepteurs 5-HT4 ne générait pas de tolérance, et cela pendant 21 jours de traitement. Seulement, les propriétés de signalisation et de régulation de ces récepteurs sont très loin d’êtres établies. Nous avons alors voulu mieux caractériser ces deux aspects de leur fonction, en se concentrant d’avantage sur les isoformes a et b, fortement exprimés dans le système limbique. Pour cela, nous avons voulu évaluer d’abord leur capacité de production d’AMPc dans un système hétérologue. Les essais d’accumulation d’AMPc démontrent que les deux isoformes sont capables de moduler positivement et négativement des niveaux d’AMPc en présence de 5-HT. Par contre, la stimulation au RS67333 induit seulement une augmentation du niveau d’AMPc dans les deux cas. Ensemble, ces observations indiquent que les deux isoformes sont capables de coupler à l’adénylate cyclase à travers les protéines Gαs et Gαi. La quantification des récepteurs internalisés a montré que l’isoforme b internalisait plus efficacement que l’isoforme a suite à l’incubation à la 5-HT (61 ± 3 % pour le b vs 40 ± 2 % pour le a). Les protéines kinases PKA et PKC n’étaient pas impliquées dans cette différence, toutefois, la PKC a été trouvée essentielle à l’internalisation des deux isoformes. L’internalisation de l’isoforme b par 5-HT n’a pas été affecté par la surexpression de forme inactive de GRK2 (GRK2- K220R) et a été partiellement inhibé par un mutant négative de la β-arrestine (βarr(319-418)), tandis que l’internalisation de l’isoforme a a été bloquée par les deux. Ces observations indiquent que les mécanismes d’internalisation des deux isoformes du récepteur 5-HT4 les plus abondants dans le système nerveux central sont distincts. Des comportements spécifiques à chaque isoforme ont aussi été constatés au niveau de la régulation fonctionnelle suite à l’exposition au RS67333, qui désensibilise seulement l’isoforme b. D’après nos observations, nous avons conclu que les isoformes a et b diffèrent dans leur propriétés de signalisation et de régulation. L’incapacité du RS67333 à désensibiliser l’isoforme a fournit un substrat moléculaire pour les effets antidépressifs prolongés de cet agoniste dans les études pré-cliniques. / The therapeutic actions of antidepressants, currently available, require several weeks of treatment. This delay is due to pre-and post-synaptic sites adjustments, which, respectively, increase the availability of synaptic monoamines 5-HT and NA, and induce neuroplastic changes amending neuronal function in the limbic regions. We have recently observed in animal model of depression that serotonergic 4 receptor agonist RS67333 produces behavioural, electrophysiological, cellular and biochemical changes, as seen in antidepressants. More importantly, these changes appear only after 3 days of treatment while antidepressants often require several weeks. Moreover, activation of 5-HT4 receptors does not generate tolerance and that for 21 days of treatment. However, the signalling and regulation properties of these receptors haven’t been established yet. Here, we wanted to better characterize these two aspects of their function, and in particular for isoforms a and b, strongly expressed in the limbic system. First, we assessed their ability to produce cAMP in a heterologous system. Functional assays revealed that both isoforms were capable of positive and negative modulation of cAMP levels by 5-HT. Stimulation by RS67333 induced cAMP stimulation. Together, these observations indicate that that both isoforms are able to couple adenylate cyclase through Gαs and Gαi proteins. Moreover, quantification of receptors sequestration showed that isoform b internalised more efficiently than the isoform a, following incubation with 5-HT (61 ± 3 % for b, 40 ± 2 % for a). PKA and PKC proteins, two seconds messenger kinases activated by these receptors, are not involved in producing this difference. However, PKC is essential to the internalization of both isoforms. Isoform b internalization was not affected by an inactive GRK2 mutant (GRK2-K220R) and was partially inhibited by dominant negative β-arrestin (βarr(319-418), while isoform a internalization was dependant on both. These observations indicate that internalization mechanisms of the two isoforms, most abundantly expressed in the central nervous system, are different. Functional desensitization studies showned that RS67333 selectively desensitizes the isoform b, but not isoforme a. Based on these observations, we conclude that isoform a and b differ in their signalling and regulatory properties. Isoform a incapacity to desensitization by RS67333 provides a molecular substrate for prolonged antidepressant affects of this agonist in pre-clinical studies.

Les antidépresseurs actuels sont très similaires au niveau de leur mécanisme d’action et sont plus ou moins efficaces. Un des problèmes majeurs est leur long temps de latence à fournir une action thérapeutique dû aux adaptations des sites pré et post synaptiques. Dans un modèle animal, nous avons récemment découvert que l’agoniste RS67333 des récepteurs 5-HT4 était en mesure de produire en trois jours les mêmes effets antidépresseurs qui normalement prennent de deux à trois semaines à apparaître avec les antidépresseurs actuellement disponibles. De plus, nous avons constaté que les effets antidépresseurs de cet agoniste possédaient une résistance à la tolérance. Il y a d’autres agonistes du même récepteur, tel que le prucalopride qui ne produit pas d’effets antidépresseurs comme RS67333. Étant donné que l’efficacité du Prucalopride à stimuler les 5-HT4Rs est similaire sinon plus grande que celle de RS67333, nous avons énoncé l’hypothèse que le récepteur 5-HT4 pourrait adopter différentes conformations actives suite à son activation par différents agonistes. Nous avons ainsi décidé d’explorer les principales réponses fonctionnelles des récepteurs 5-HT4B en observant leurs propriétés de régulation et de signalisation. Nous avons montré que l’isoforme B du récepteur 5-HT4, étant hautement exprimé dans le système limbique, détient une signalisation et une régulation différentes dépendant du ligand activateur. Nos résultats indiquent que chacun des agonistes testés (5-HT, RS67333, ML10302, Zacopride, Prucalopride) modulent distinctivement la production d’AMPc et l’internalisation du récepteur. Les résultats nous ont clairement permis de déterminer que les agonistes possèdent une efficacité et ou puissance différentes les uns par rapport aux autres. De plus, l’ordre d’efficacité des agonistes à moduler la voie de l’AMPc était (Prucalopride > Zacopride = ML10302 = 5-HT > RS67333) et est différente de leur ordre d’efficacité à induire la régulation du récepteur par internalisation (5-HT > Zacopride > Prucalopride > ML10302 = RS67333). Ainsi, nous avons montré que les 5-HT4Rs adoptent des conformations qui sont ligand-spécifiques. Cela implique que la sélectivité fonctionnelle serait un facteur important à considérer dans les mécanismes d’action antidépresseur des agonistes de ce récepteur. / Antidepressants currently available are very similar toward their mechanism of action and are more or less effective. One major problem is their long latency to provide a therapeutic effect due to adaptations of pre and post synaptic locations. In an animal model, we recently discovered that the agonist RS67333 of the 5-HT4 receptors was able to produce in three days the same antidepressant effects that normally take two to three weeks to appear with the currently available antidepressants. In addition, we found that the antidepressant effects of this agonist had a resistance to tolerance. There are others agonists of the same receptor such as prucalopride, which does not produce antidepressant effects as RS67333. Since the effectiveness of prucalopride to stimulate 5-HT4Rs is similar if not greater than RS67333, we stated the hypothesis that the 5-HT4 receptor could adopt different active conformations following its activation by various agonists. We decided to explore the major functional responses of 5-HT4B by observing their regulatory and signaling properties. We showed that the B isoform of the 5-HT4, being highly expressed in the limbic system, has a different signaling and regulation depending on the ligand. Our results indicate that each of the agonists tested (5-HT, RS67333, ML10302, Zacopride, Prucalopride) distinctively modulate cAMP production and receptor internalization. The results have clearly identified that agonists differed in potency and efficacy. Moreover, the order of effectiveness of agonists to modulate the cAMP pathway was (prucalopride> zacopride = 5-HT = ML10302> RS67333) different from their order of effectiveness in inducing receptor regulation by internalization (5-HT> Zacopride> Prucalopride> RS67333 = ML10302). Thus, we have shown that 5-HT4Rs adopt conformations that are ligand-specific. This implies that functional selectivity is an important factor in the mechanisms of antidepressant action of this receptor agonists.

Les antidépresseurs actuels sont très similaires au niveau de leur mécanisme d’action et sont plus ou moins efficaces. Un des problèmes majeurs est leur long temps de latence à fournir une action thérapeutique dû aux adaptations des sites pré et post synaptiques. Dans un modèle animal, nous avons récemment découvert que l’agoniste RS67333 des récepteurs 5-HT4 était en mesure de produire en trois jours les mêmes effets antidépresseurs qui normalement prennent de deux à trois semaines à apparaître avec les antidépresseurs actuellement disponibles. De plus, nous avons constaté que les effets antidépresseurs de cet agoniste possédaient une résistance à la tolérance. Il y a d’autres agonistes du même récepteur, tel que le prucalopride qui ne produit pas d’effets antidépresseurs comme RS67333. Étant donné que l’efficacité du Prucalopride à stimuler les 5-HT4Rs est similaire sinon plus grande que celle de RS67333, nous avons énoncé l’hypothèse que le récepteur 5-HT4 pourrait adopter différentes conformations actives suite à son activation par différents agonistes. Nous avons ainsi décidé d’explorer les principales réponses fonctionnelles des récepteurs 5-HT4B en observant leurs propriétés de régulation et de signalisation. Nous avons montré que l’isoforme B du récepteur 5-HT4, étant hautement exprimé dans le système limbique, détient une signalisation et une régulation différentes dépendant du ligand activateur. Nos résultats indiquent que chacun des agonistes testés (5-HT, RS67333, ML10302, Zacopride, Prucalopride) modulent distinctivement la production d’AMPc et l’internalisation du récepteur. Les résultats nous ont clairement permis de déterminer que les agonistes possèdent une efficacité et ou puissance différentes les uns par rapport aux autres. De plus, l’ordre d’efficacité des agonistes à moduler la voie de l’AMPc était (Prucalopride > Zacopride = ML10302 = 5-HT > RS67333) et est différente de leur ordre d’efficacité à induire la régulation du récepteur par internalisation (5-HT > Zacopride > Prucalopride > ML10302 = RS67333). Ainsi, nous avons montré que les 5-HT4Rs adoptent des conformations qui sont ligand-spécifiques. Cela implique que la sélectivité fonctionnelle serait un facteur important à considérer dans les mécanismes d’action antidépresseur des agonistes de ce récepteur. / Antidepressants currently available are very similar toward their mechanism of action and are more or less effective. One major problem is their long latency to provide a therapeutic effect due to adaptations of pre and post synaptic locations. In an animal model, we recently discovered that the agonist RS67333 of the 5-HT4 receptors was able to produce in three days the same antidepressant effects that normally take two to three weeks to appear with the currently available antidepressants. In addition, we found that the antidepressant effects of this agonist had a resistance to tolerance. There are others agonists of the same receptor such as prucalopride, which does not produce antidepressant effects as RS67333. Since the effectiveness of prucalopride to stimulate 5-HT4Rs is similar if not greater than RS67333, we stated the hypothesis that the 5-HT4 receptor could adopt different active conformations following its activation by various agonists. We decided to explore the major functional responses of 5-HT4B by observing their regulatory and signaling properties. We showed that the B isoform of the 5-HT4, being highly expressed in the limbic system, has a different signaling and regulation depending on the ligand. Our results indicate that each of the agonists tested (5-HT, RS67333, ML10302, Zacopride, Prucalopride) distinctively modulate cAMP production and receptor internalization. The results have clearly identified that agonists differed in potency and efficacy. Moreover, the order of effectiveness of agonists to modulate the cAMP pathway was (prucalopride> zacopride = 5-HT = ML10302> RS67333) different from their order of effectiveness in inducing receptor regulation by internalization (5-HT> Zacopride> Prucalopride> RS67333 = ML10302). Thus, we have shown that 5-HT4Rs adopt conformations that are ligand-specific. This implies that functional selectivity is an important factor in the mechanisms of antidepressant action of this receptor agonists.

Les actions thérapeutiques des antidépresseurs, disponibles actuellement, requièrent plusieurs semaines de traitement. Ce délai est dû aux adaptations des sites pré et post-synaptiques qui, respectivement, augmentent la disponibilité synaptique des monoamines sérotonine et noradrénaline (5-HT et NA), et entraînent les changements neuroplastiques modifiant la fonction neuronales dans les régions limbiques. Il a été récemment observé, chez un modèle animal de dépression, que l’agoniste RS67333 des récepteurs sérotoninergiques de type 5-HT4 produisait des changements comportementaux, électrophysiologiques, cellulaires et biochimiques, tel qu’observé chez les antidépresseurs. Ces changements apparaissent seulement après 3 jours de traitement tandis que les antidépresseurs nécessitent souvent plusieurs semaines. De plus, l’activation des récepteurs 5-HT4 ne générait pas de tolérance, et cela pendant 21 jours de traitement. Seulement, les propriétés de signalisation et de régulation de ces récepteurs sont très loin d’êtres établies. Nous avons alors voulu mieux caractériser ces deux aspects de leur fonction, en se concentrant d’avantage sur les isoformes a et b, fortement exprimés dans le système limbique. Pour cela, nous avons voulu évaluer d’abord leur capacité de production d’AMPc dans un système hétérologue. Les essais d’accumulation d’AMPc démontrent que les deux isoformes sont capables de moduler positivement et négativement des niveaux d’AMPc en présence de 5-HT. Par contre, la stimulation au RS67333 induit seulement une augmentation du niveau d’AMPc dans les deux cas. Ensemble, ces observations indiquent que les deux isoformes sont capables de coupler à l’adénylate cyclase à travers les protéines Gαs et Gαi. La quantification des récepteurs internalisés a montré que l’isoforme b internalisait plus efficacement que l’isoforme a suite à l’incubation à la 5-HT (61 ± 3 % pour le b vs 40 ± 2 % pour le a). Les protéines kinases PKA et PKC n’étaient pas impliquées dans cette différence, toutefois, la PKC a été trouvée essentielle à l’internalisation des deux isoformes. L’internalisation de l’isoforme b par 5-HT n’a pas été affecté par la surexpression de forme inactive de GRK2 (GRK2- K220R) et a été partiellement inhibé par un mutant négative de la β-arrestine (βarr(319-418)), tandis que l’internalisation de l’isoforme a a été bloquée par les deux. Ces observations indiquent que les mécanismes d’internalisation des deux isoformes du récepteur 5-HT4 les plus abondants dans le système nerveux central sont distincts. Des comportements spécifiques à chaque isoforme ont aussi été constatés au niveau de la régulation fonctionnelle suite à l’exposition au RS67333, qui désensibilise seulement l’isoforme b. D’après nos observations, nous avons conclu que les isoformes a et b diffèrent dans leur propriétés de signalisation et de régulation. L’incapacité du RS67333 à désensibiliser l’isoforme a fournit un substrat moléculaire pour les effets antidépressifs prolongés de cet agoniste dans les études pré-cliniques. / The therapeutic actions of antidepressants, currently available, require several weeks of treatment. This delay is due to pre-and post-synaptic sites adjustments, which, respectively, increase the availability of synaptic monoamines 5-HT and NA, and induce neuroplastic changes amending neuronal function in the limbic regions. We have recently observed in animal model of depression that serotonergic 4 receptor agonist RS67333 produces behavioural, electrophysiological, cellular and biochemical changes, as seen in antidepressants. More importantly, these changes appear only after 3 days of treatment while antidepressants often require several weeks. Moreover, activation of 5-HT4 receptors does not generate tolerance and that for 21 days of treatment. However, the signalling and regulation properties of these receptors haven’t been established yet. Here, we wanted to better characterize these two aspects of their function, and in particular for isoforms a and b, strongly expressed in the limbic system. First, we assessed their ability to produce cAMP in a heterologous system. Functional assays revealed that both isoforms were capable of positive and negative modulation of cAMP levels by 5-HT. Stimulation by RS67333 induced cAMP stimulation. Together, these observations indicate that that both isoforms are able to couple adenylate cyclase through Gαs and Gαi proteins. Moreover, quantification of receptors sequestration showed that isoform b internalised more efficiently than the isoform a, following incubation with 5-HT (61 ± 3 % for b, 40 ± 2 % for a). PKA and PKC proteins, two seconds messenger kinases activated by these receptors, are not involved in producing this difference. However, PKC is essential to the internalization of both isoforms. Isoform b internalization was not affected by an inactive GRK2 mutant (GRK2-K220R) and was partially inhibited by dominant negative β-arrestin (βarr(319-418), while isoform a internalization was dependant on both. These observations indicate that internalization mechanisms of the two isoforms, most abundantly expressed in the central nervous system, are different. Functional desensitization studies showned that RS67333 selectively desensitizes the isoform b, but not isoforme a. Based on these observations, we conclude that isoform a and b differ in their signalling and regulatory properties. Isoform a incapacity to desensitization by RS67333 provides a molecular substrate for prolonged antidepressant affects of this agonist in pre-clinical studies.