La prise répétée de cocaïne entraine la mise en place d’une addiction durable. Cette maladie neuropsychiatrique est un problème de santé public majeur en France et dans le monde. Les effets aigus de la cocaïne sont maintenant bien connus mais il est encore difficile d’établir un consensus des conséquences d’une administration répétée de ce psychostimulant au niveau central. En effet, les résultats rapportés dans la littérature actuelle présentent de nombreuses disparités. Nous pensons que cela pourrait être dû aux différences de protocole d’administration utilisés par chaque laboratoire. Nous émettons l’hypothèse que si à l’heure actuelle il n’existe pas de traitement efficace pour traiter les cocaïnomanes, c’est que les thérapies ne prennent pas en compte les différentes modifications neurobiologiques induites par les différents profils de consommation. Afin de tester cette hypothèse, nous avons comparé deux profils d’administration différents de cocaïne chez le rat. Nous nous sommes intéressés aux conséquences comportementales, neurochimiques et cellulaires après un sevrage court et un sevrage long. Nous avons mis en évidence que les adaptations comportementales (activité locomotrice et exploratoire), neurochimiques (dopamine extracellulaire) et cellulaires (récepteurs dopaminergiques) basales et en réponse à une dose de rappel, sont différentes selon le profil d’administration de cocaïne. Nous avons également mis en évidence une anticipation neurochimique dopaminergique et locomotrice, exactement à l’heure habituelle d’injection et qui varie selon le profil d’administration. Dans un deuxième temps, nous avons montré que le BDNF (Brain Derived Neurotrophic Factor), qui est une neurotrophine du système catécholaminergique, varie à la fois au niveau central et au niveau périphérique, de façon spécifique pour chaque profil d’administration de cocaïne. L’utilisation en clinique de ce biomarqueur périphérique (BDNF), permettrait d’évaluer les variations neurobiologiques centrales chez les patients cocaïnomanes et d’établir un traitement thérapeutique approprié à leur profil de consommation. L’ensemble des résultats obtenus au cours de cette thèse, ont permis de montrer que le profil d’administration a une grande importance sur les conséquences neurobiologiques de la cocaïne / Pas de résumé en anglais

Στο κεντρικό νευρικό σύστημα (ΚΝΣ), η ντοπαμίνη ελέγχει σημαντικές φυσιολογικές λειτουργίες όπως η έκκριση ορμονών, η ρύθμιση της κίνησης, γνωστικές πορείες και περίπλοκες συμπεριφορές που έχουν σχέση με το συναίσθημα και την ανταμοιβή. Η επαναπρόσληψη της ντοπαμίνης διαμέσου του μεταφορέα της νευρωνικής πλασματικής μεμβράνης (DAT) είναι σημαντική για τη διατήρηση της ομοιόστασης της στο ΚΝΣ. Πιστεύεται ότι ο DAT ελέγχει την ένταση και τη διάρκεια της ντοπαμινεργικής νευροδιαβίβασης. Ο DAT αποτελεί μοριακό στόχο θεραπευτικών ουσιών για την θεραπεία νοητικών δυσλειτουργιών όπως η σχιζοφρένεια και η κατάθλιψη. Επιπροσθέτως είναι στόχος εθιστικών ουσιών όπως η κοκαΐνη και η αμφεταμίνη. Οι ψυχοδιεγερτικές και οι θεραπευτικές ουσίες δεσμεύονται στον DAT, αλλάζουν την λειτουργία του και ως εκ τούτου επιτείνουν την ένταση και διάρκεια της ντοπαμινεργικής νευροδιαβίβασης. Η παρεγκεφαλίδα δέχεται μια κατεχολαμινεργική νεύρωση η οποία θεωρείται ότι είναι νοραδρενεργική. Εν τούτοις βιοχημικές, φαρμακολογικές και ανατομικές μελέτες υποδεικνύουν ότι επίσης δέχεται μια μικρή ντοπαμινεργική νεύρωση από την κοιλιακή περιοχή της καλύπτρας και την συμπαγή μοίρα της μέλαινας ουσίας. Πρόσφατες ανοσοϊστοχημικές μελέτες μας για τον DAT υπέδειξαν ότι νευρώνες της παρεγκεφαλίδας μπορεί να εκφράζουν τον μεταφορέα. Στην παρούσα μελέτη ο εντοπισμός του μεταφορέα της ντοπαμίνης (DAT) στην παρεγκεφαλίδα φυσιολογικών μυών, τόσο σε επίπεδο πρωτεΐνης όσο και σε επίπεδο mRNA έγινε με την μέθοδο Western Blot, IP και RT-PCR αντίστοιχα. Η πρωτεΐνη ανιχνεύθηκε στο κλάσμα των συναπτοσωμάτων, ενώ το mRNA σε ολικό εκχύλισμα παρεγκεφαλίδας. Τα αποτελέσματα έρχονται να επιβεβαιώσουν την ύπαρξη ντοπαμινεργικών κυττάρων στην παρεγκεφαλίδα. / In the Central Nervous System (CNS) the neurotransmitter dopamine (DA) controls important functions including hormone secretion, locomotion, cognitive processes and complex behaviours that are associated with emotion and reward. Dopamine uptake through the neuronal plasma membrane DA transporter is essential for the maintenance of normal DA homeostasis in the brain. It is believed that DAT controls the intensity and the duration of dopamine neurotransmittion. DAT is the molecular target for therapeutic agents used in the treatment of mental disorders, such as schizophrenia and depression. In addition, DAT is the target for cocaine and amphetamine. Psychostimulants and therapeutic substances alter its transporter function and therefore prolong the intensity and duration of dopaminergic neurotransmittion.The cerebellum receives a catecholaminergic input that is generally accepted to be noradrenergic. However, biochemical, pharmacological and anatomical evidence indicate that the cerebellum also receives a small dopaminergic input from ventral tegmental area and substantia nigra pars compacta. Recent immunohistochemical studies have indicated that cerebellar neurons express the transporter. In the current study, cerebellar dopamine transporter protein and mRNA were studied using the methods of western blotting and RT-PCR. Our results confirm the existence of dopaminergic neurons in cerebellum.

- / -

- / -

Le cortex moteur primaire et le striatum permettent la planification et la sélection de mouvements. La dopamine régule l'activité des neurones dans ces deux structures. La perte des neurones à dopamine projetant de la substance noire compacte vers le striatum est à l'origine de troubles moteurs observés dans la maladie de Parkinson. Nous avons caractérisé le contrôle par la dopamine des neurones du cortex moteur primaire chez la souris et avons démontré que les fibres dopaminergiques innervent préférentiellement la représentation des membres antérieurs dans les couches corticales profondes. Nous avons montré que la dopamine module localement l’activité électrophysiologique des neurones cortico-striataux via les récepteurs D2. Ces résultats montrent que la dopamine peut exercer un contrôle direct sur la motricité au niveau des neurones du cortex moteur primaire. Nous avons par la suite déterminé le potentiel des thérapies cellulaires dans un modèle animal de la maladie de Parkinson. Les approches actuelles privilégient la greffe ectopique de neurones à dopamine dans la région cible, le striatum. Nous avons choisi une approche alternative consistant à pratiquer la greffe au niveau de la région lésée, la substance noire compacte. Nous avons montré chez la souris que la lésion des neurones dopaminergiques altère les propriétés électrophysiologiques des neurones du striatum et que la greffe homotopique de neurones entraîne une meilleure récupération de ces caractéristiques électrophysiologiques que la greffe ectopique dans le striatum.Ces résultats ouvrent des perspectives d'étude des effets de la greffe homotopique sur l'activité des autres structures contrôlant la motricité. / Primary motor cortex and striatum are involved in movement planification and selection. Dopamine regulates the neuronal activity of these two structures. The motor impairments observed in Parkinson's disease originates from the loss of dopamine neurons projecting from the substantia nigra pars compacta to the striatum.We characterized the dopaminergic control of the neurons of primary motor cortex in mice and we demonstrated that dopaminergic fibers preferentially innervate the forelimb representation map in the deep cortical layers. Furthermore, we demonstrated that dopamine locally modulates the electrophysiological activity of the cortico-striatal neurons through D2 receptors. These results show that dopamine can directly control motor function by influencing neuronal activity in primary motor cortex.Thereafter, we determined the potential of cell replacement therapies in an animal model of Parkinson's disease. In most studies, the transplanted dopamine neurons have been placed within the striatum. We have chosen an alternative approach by grafting neurons into the lesioned nucleus, substantia nigra. We showed in mice that the lesion of dopaminergic neurons impaired the electrophysiological properties of the striatal neurons. Whereas these properties are not fully restored with an intra-striatal transplant, all the electrophysiological characteristics are recovered with an intra-nigral graft. This result opens new perspectives to study the homotopic graft effects on the activity of the other structures controlling motor function.

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε το ντοπαμινεργικό και γλουταμινεργικό σύστημα των βασικών γαγγλίων, χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικά μοντέλα ζώων. Ο πρώτος στόχος ήταν να εξεταστεί εάν η μεταφορά του γονιδίου TrkA σε νευρώνες της μέλαινας ουσίας (SN) ενήλικων επίμυων επιδρά στις νευροχημικές τους ιδιότητες, απουσία ή παρουσία εξωγενούς νευροαυξητικού παράγοντα (NGF) στο ραβδωτό σώμα. Η εκτοπική έκφραση του TrkA στην SN οδήγησε σε σημαντική μείωση του mRNA της υδροξυλάσης της τυροσίνης (TH), της TH ανοσοδραστικότητας και του mRNA του DAT στη δεξιά SN σε σύγκριση με την ετερόπλευρη, ενώ δεν βρέθηκε καμία διαφορά στο mRNA των υποδοχέων ντοπαμίνης D2 και της ειδικής δέσμευσης του [3Η]raclopride στην SN. Δεν παρατηρήθηκαν μεταβολές στις θέσεις δέσμευσης του [3Η]WIN35428 και της ανοσοδραστικότητας του DAT στο ομόπλευρο ραβδωτό σώμα, καθώς και στις θέσεις δέσμευσης των μετασυναπτικών υποδοχέων ντοπαμίνης D1 και D2, όπως καθορίζεται από τους ιχνηθέτες [3H]SCH23390 και [3Η] raclopride, αντίστοιχα. Επιπλέον, δεν βρέθηκαν σημαντικές μεταβολές στους υποδοχείς NMDA και AMPA. Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ότι η εκτοπική έκφραση του TrkA στην SN ρυθμίζει αρνητικά την ΤΗ και οδηγεί σε ανεξάρτητες από τον NGF αποκρίσεις. O δεύτερος στόχος της διατριβής ήταν η μελέτη του ντοπαμινεργικού συστήματος σε ένα μοντέλο DYT1 δυστονίας μυός. Σε διαγονιδιακούς μυς με υπερκινητική και μη υπερκινητική συμπεριφορά παρατηρήθηκε μείωση των υποδοχέων ντοπαμίνης D2 στο ραβδωτό σώμα, όπως προσδιορίστηκε από τη δέσμευση του [3H]raclopride, και τoυ mRNA των D2 στην SNpc, σε σχέση με μη διαγονιδιακούς μυς. Δεν παρατηρήθηκε διαφορά στη δέσμευση του [3H]SCH23390 ή του [3H]WIN35428 στο ραβδωτό σώμα διαγονιδιακών μυών. Τα δεδομένα προτείνουν μία πιθανή εμπλοκή της ντοπαμινεργικής νευροδιαβίβασης στην παθοφυσιολογία της DY1 δυστονίας. / In the present thesis we examined the dopaminergic and glutamatergic neurotransmission systems of basal ganglia, using two different animal models. The first goal was to investigate whether TrkA gene transfer into substantia nigra (SN) neurons of adult rats influence some of their neurochemical properties, in the absence or presence of exogenous nerve growth factor (NGF) delivery in the striatum. Ectopic expression of TrkA in SN resulted in a significant decrease of tyrosine hydroxylase (TH) immunoreactivity, TH mRNA and DAT mRNA expression in the right SN compared to the contralateral side, while no difference was found in the mRNA expression of D2 DA receptors and [3H]raclopride binding in SN. No significant changes were seen in the density of DAT by measuring [3H]WIN35428 binding sites and DAT immunoreactivity in the ipsilateral striatum, as well as in the number of postsynaptic striatal D1 and D2 receptor binding sites, as determined by [3H]SCH23390 and [3H]raclopride, respectively. Furthermore, no significant changes were found in NMDA and AMPA receptors. These data suggest that ectopic TrkA expression in SN downregulates TH in nigral dopaminergic neurons and elicits NGF-independent responses. The second goal of the present thesis was to examine the dopaminergic system of basal ganglia in a mouse model of DYT1 dystonia. A decrease in striatal D2 binding sites, measured by [3H]raclopride binding, and D2 mRNA expression in substantia nigra pars compacta (SNpc) was revealed in affected and unaffected transgenic mice when compared with non-transgenic. No difference in D1 receptor binding and DAT binding, measured by [3H]SCH23390 and [3H]WIN35428 binding, respectively, was found in striatum of transgenic animals. These data suggest a possible involvement of dopamine neurotransmission in the pathophysiology of DYT1 dystonia.

Οι νικοτινικοί υποδοχείς της ακετυλοχολίνης (nAChRs) ανήκουν στην υπερ-οικογένεια των ιοντικών καναλιών που ενεργοποιούνται από τη δέσμευση ενός προσδέτη (LGICs) και αποτελούνται από πέντε ομόλογες υπομονάδες. Κάθε μονομερής υπομονάδα αποτελείται από μία Ν-τελική εξωκυττάρια περιοχή (ΕΚΠ), από τέσσερεις διαμεμβρανικές α-έλικες και από μία κυτταροπλασματική περιοχή. Στην ΕΚΠ βρίσκεται η χαρακτηριστική Cys-θηλιά της υπερ-οικογένειας, καθώς και οι θέσεις πρόσδεσης αγωνιστών και ανταγωνιστών του υποδοχέα. Οι γνώσεις μας γύρω από τη δομή των nAChRs προέρχονται κυρίως από κρυσταλλογραφικές δομές ομολόγων πρωτεϊνών δέσμευσης της ACh (AChBP) μαλακίων, από μια δομή του nAChR από ιχθείς του γένους Torpedo που προέρχεται από ηλεκτρονική μικροσκοπία, από την κρυσταλλογραφική δομή της α1-ΕΚΠ ποντικού σε σύμπλοκο με α-μπουγκαροτοξίνη (α-Btx) και από κρυσταλλογραφικές δομές δύο προκαρυωτικών LGICs. Παρά τη μεγάλη πρόοδο που πραγματοποιήθηκε με τα παραπάνω επιτεύγματα, ακόμη δεν έχει επιλυθεί πειραματικά η δομή ανθρώπινου υποδοχέα. Επίσης λίγα είναι γνωστά για την επίδραση της γλυκοζυλίωσης των ΕΚΠ στη λειτουργία του nAChR. Χρησιμοποιώντας ως εκμαγείο την κρυσταλλογραφική δομή του συμπλόκου α1-ΕΚΠ ποντικού/α-Btx δημιουργήθηκαν υπολογιστικά μοντέλα της ανθρώπινης α1-ΕΚΠ προσδεμένης στις τοξίνες α-μπουγκαροτοξίνη (α-Btx), α-κομπρατοξίνη (α-Cbtx), α-κωνοτοξίνη (α-Ctx) ImI και α-κωνοτοξίνη GI. Στα σύμπλοκα με α-Btx και α-Cbtx προστέθηκε η υδατανθρακική αλυσίδα, συνδεδεμένη με το κατάλοιπο Asn141, που συγκρυσταλλώθηκε μαζί με την α1-ΕΚΠ ποντικού. Για να μελετηθεί η δυναμική συμπεριφορά της αλληλεπίδρασης υποδοχέα-τοξίνης καθώς και η συνεισφορά των σακχάρων σε αυτήν πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής σε υδατικό περιβάλλον. Με τη χρήση υπολογιστικών εργαλείων για τη μελέτη των συμπλόκων προσδιορίστηκαν σε ατομικό επίπεδο οι αλληλεπιδράσεις που καθοδηγούν την πρόσδεση τοξινών στην α1-ΕΚΠ. Βρέθηκε ότι η υδατανθρακική αλυσίδα συμμετέχει δυναμικά στη δέσμευση της τοξίνης στον υποδοχέα. Τα σάκχαρα συγκλίνουν προς την προσδεμένη τοξίνη στηριζόμενα στα κατάλοιπα Ser187 και Trp184 της α1 υπομονάδας. Η τοξίνη επίσης μετακινείται φέρνοντας τη θηλιά Ι σε επαφή με τα σάκχαρα. Αναγνωρίστηκαν σημαντικές αλληλεπιδράσεις των σακχάρων με τα τοξινικά κατάλοιπα Thr6, Ser9, και Th15 της α-Btx και Thr6 και Pro7 της α-Cbtx. Επίσης επιβεβαιώθηκε η ύπαρξη μιας υδρόφιλης κοιλότητας στο εσωτερικό του υδρόφοβου πυρήνα της α1-ΕΚΠ, η οποία πιθανόν εμπλέκεται στο άνοιγμα του ιοντικού καναλιού του nAChR. Τα αποτελέσματα αυτά παρέχουν σημαντικά δεδομένα για την κατανόηση της επίδρασης της υδατανθρακικής αλυσίδας στη λειτουργία του υποδοχέα, η οποία μπορεί να αξιοποιηθεί στην αντιμετώπιση των πολλών παθολογικών καταστάσεων στις οποίες εμπλέκονται οι nAChRs. / Nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) belong to the superfamily of ligand-gated ion channels (LGICs). LGICs form homo- or hetero-pentamers of related subunits, and each of them consists of a N-terminal extracellular ligand-binding domain (ECD), four transmembrane α-helixes and an intracellular region. The characteristic Cys-loop of the superfamily is found in the ECD of each subunit. The ECD also contains binding sites for agonists and competitive antagonists. Our knowledge regarding the nAChR structure mainly derives from the X-ray crystal structures of the molluscan ACh-binding proteins (AChBPs), the electron microscopy structure of the Torpedo nAChR, the X-ray crystal structure of the mouse nAChR α1-ECD bound to α-bungarotoxin (α-Btx), and the X-ray crystal structures of two prokaryotic LGICs. Despite the progress made by these achievements, the determination of any human nAChR structure has not yet been accomplished. Furthermore, the effect of glycosylation on nAChR function has not yet been explored. Based on the crystal structure of the extracellular domain of the mouse nAChR α1 subunit bound to α-Btx we have generated in silico models of the human nAChR α1-ECD bound to the toxins α-bungarotoxin (α-Btx), α-cobratoxin (α-Cbtx), α-conotoxin (α-Ctx) ImI and α-conotoxin GI. In the case of the α1-ECD/α-Btx and α-Cbtx complexes, a Asn141-linked carbohydrate chain was modeled, its coordinates taken from the crystal structure of the mouse α1-ECD. To gain further insight into the structural role of glycosylation molecular dynamics (MD) simulations were carried out in explicit solvent so as to compare the conformational dynamics of the binding interface between nAChR α1 and the two toxins. The use of computational methods allowed the monitoring of the interactions that govern toxin binding. The MD simulations revealed the strengthening of the receptor-toxin interaction in the presence of the carbohydrate chain. A shift in the position of the sugars towards the bound toxin was observed. Residues Ser187 and Trp184 of nAChR act as critical anchor points for the stabilization of the sugar chain in a close position to the toxin. Toxin Finger I shifts closer to the mannoses, forming important toxin-sugar interactions that implicate residues Thr6, Ser9, and Thr15 of α-Btx, as well as Thr6 and Pro7 of α-Cbtx. Additionally the MD simulations of the human α1 ECD–toxin complexes confirmed the possible accommodation of two water molecules into a hydration cavity inside the hydrophobic core of the subunit, which may contribute to the gating mechanism of the receptor. These findings provide additional structural data that are intended to inspire biophysical studies on the functional role of glycosylation in the gating mechanism of nAChR and also guide the development of novel therapeutic agents for the treatment of nAChR-associated diseases.