This study investigated the role of opioid, adenosine, bradykinin, and calcitonin-gene related peptide (CGRP) receptors, and potential ‘cross-talk’ among suspected G-protein coupled receptors in a humoral model of remote ischemic preconditioning (rIPC) cardioprotection. Compared to Control dialysate (from non-preconditioned donor rabbit blood), rIPC dialysate (from remotely preconditioned blood) reduced cell death in rabbit cardiomyocytes following simulated ischemia and reperfusion. Non-selective, δ-, or κ-opioid receptor blockade and non-selective adenosine receptor blockade abolished rIPC dialysate protection; whereas, bradykinin B2 and CGRP receptor blockade had no effect. Non-selective adenosine receptor blockade fully and partially abolished protection by κ- and δ-opioid receptors, respectively. Multiple reaction monitoring mass spectrometry detected low levels of adenosine, and other preconditioning substances, in the dialysate. An increase in extracellular adenosine was not detected during opioid-induced preconditioning to explain this cross-talk. These results suggest that δ-opioid, κ-opioid, adenosine receptors, and opioid-adenosine cross-talk are involved in rIPC of freshly isolated cardiomyocytes.

Abstract Adenosine receptors are heterotrimeric guanine nucleotide-binding (G protein)-coupled receptors (GPCRs) that mediate the effects of the endogenous agonist adenosine. The adenosine A3 receptor (A3R) is the least explored among the four human adenosine receptor subtype members (A1, A2A, A2B and A3) and it is implicated in both neuroprotective and neurodegenerative effects. During the course of this work, the production of the recombinant human A3R in yeast and insect cells was evaluated and heteromerization between the human adenosine A2A receptor (A2AR) and the dopamine D2 receptor (D2R) was studied. A3R with carboxyl-terminal GFP tag was expressed in the yeast Saccharomyces cerevisiae upto 15 mg per litre of culture. Another yeast Pichia pastoris increased the expression up to 108 mg/L of the same receptor when grown in bioreactors. Despite the very high expression levels, purification of A3R from both yeasts was a daunting task, as the aggregation of the receptor could not be averted. In this study, insect cells have been found out to be more suitable host for A3R expression: 10µg of the monomeric A3R could be purified from one liter of insect cell culture. For successful crystallization thermostability of the A3R was to be improved. This work has demonstrated that insertion of T4L, a fusion protein, in the third intracellular loop of A3R increased the thermostability of the receptor by 10°C. As a next step, the combination of point mutations based on alanine-scanning mutagenesis and a fusion protein approach could be useful to stabilize and further crystallize the A3R. This work has demonstrated that the amounts of A3R expressed in insect cells and the final yield of the receptor isolated by affinity purifications, forms a good basis for the beginning of biochemical characterization Receptor heteromerization is a mechanism used by GPCRs to diversify their signaling properties and functions. The human A2AR and D2R heteromers exist in the GABAergic enkephalinergic neurons. The domains responsible for forming intermolecular contacts were purified from Escherichia coli (E. coli). Using biochemical/biophysical techniques such as native-PAGE and mass spectrometry, It was validated that purified carboxyl-terminus of the A2AR and the 3rd intracellular loop of D2R form heterodimers. The investigation of purified calmodulin protein binding to the 3rd intracellular loop of D2R showed that the protein-protein interactions are calcium dependent. / Tiivistelmä Adenosiinireseptorit kuuluvat G-proteiinikytkeiset reseptorit (GPCR:t) proteiiniperheeseen. Adenosiinireseptorit välittävät endogeenisen ligandinsa adenosiinin vaikutuksia solukalvolta solunsisäisiin signaalijärjestelmiin. Adenosiini A3 reseptori (A3R) on adenosiinireseptorien neljästä alatyypistä (A1, A2A, A2B ja A3) vähiten tutkittu. Aikaisempien tutkimusten perusteella A3 reseptori yhdistetään sekä hermosoluja suojaaviin että rappeuttaviin tapahtumiin. Tässä työssä arvioitiin sekä ihmisen rekombinantti-A3R:n tuottumista hiiva- ja hyönteissoluissa että tutkittiin ihmisen adenosiini A2A reseptorin (A2AR) ja dopamiini D2 reseptorin (D2R) heteromerisoitumista. Rekombinantti A3 reseptori- vihreä fluoresoiva proteiini (GFP) fuusioproteiinia tuotettiin Saccharomyces cerevisiae -hiivassa 15 mg litrassa kasvatusliuosta. Pichia pastoris -hiivakanta taas kasvatti saman reseptorin tuottumista aina 108 mg/l saakka, kun tuotto tehtiin bioreaktorissa. Hyvin korkeasta tuottotasosta huolimattaA3R:n puhdistus hiivasta oli ylitsepääsemätön tehtävä, sillä reseptorin saostumista ei voinut välttää. Työssä havaittiin, että hyönteissolut sopivat paremmin A3R:n tuottoon: noin 10 µg monomeerista A3R:a voitiin puhdistaa litran hyönteissoluviljelmästä. Reseptorin stabiilisuuden lisääminen helpottaa reseptorin biokemiallista ja biofysikaalista karakterisointia. Tässä työssä osoitettiin, että T4L-proteiinin lisääminen A3R:n kolmannen solunsisäisen silmukan paikalle lisää reseptorin lämpöstabiilisuutta 10 °C. Jatkotutkimuksissa voitaisiin käyttää alaniiniskannausmutageneesiin perustuvien pistemutaatioiden ja fuusioproteiinin yhdistelmää A3R:n lisästabilointiin ja kiteytykseen. Tämän työn perusteella määrät, joilla A3R tuottuu hyönteissoluissa ja jotka saadaan eristettyä affiniteettipuhdistuksilla, muodostavat hyvän perustan proteiinin biokemialliselle karakterisoinnille. Reseptorin heteromerisoituminen on GPCR:en käyttämä mekanismi signalointiominaisuuksien ja toimintojen monipuolistamiseksi. Ihmisessä A2AR ja D2R heteromeereja on GABAergisissä enkefalinergisissä hermosoluissa. Molekyylien välisiin kontakteihin osallistuvat domeenit puhdistettiin Escherichia coli (E. coli) -bakteerista. Biokemiallisia ja biofysikaalisia tekniikoita kuten natiivi-PAGE:a ja massaspektrometriaa käyttäen vahvistettiin, että puhdistettu A2AR:n karboksiterminaalinen osa ja D2R:n kolmas solunsisäinen silmukka muodostavat heterodimeereja. Myös tutkittaessa puhdistetun kalmoduliini-proteiinin sitoutumista D2R:n kolmanteen solunsisäiseen silmukkaan osoitettiin proteiini-proteiini -vuorovaikutuksen olevan kalsiumista riippuvainen.

Les ganglions de la base forment un réseau neuronal mettant en jeu une circuiterie complexe et jouant un rôle essentiel dans la régulation des fonctions motrices, dans différentes formes d'apprentissage sensorimoteur, ainsi que dans les processus motivationnels. Cette régulation met en jeu une boucle cortico-striato-thalamo-corticale dans laquelle le striatum tient une position centrale en étant la principale structure d’entrée de ce réseau. Il joue le rôle de filtre en intégrant et traitant l’ensemble des informations qui y parviennent. Ce réseau neuronal complexe peut être altéré par différentes pathologies humaines (maladie de Parkinson, schizophrénie, chorée de Huntington, addiction aux drogues, …) qui résultent d’une perturbation ou d’une lésion au niveau d’une ou plusieurs structures composant le système des ganglions de la base.<p>Le striatum, premier relais du système des ganglions de la base, reçoit deux afférences principales :les voies dopaminergique nigro-striatale et glutamatergique cortico-striatale. En plus de ces deux afférences majeures, l’adénosine, par son action sur ses récepteurs, joue de nombreux rôles de régulation dans ce système. Ainsi, l’activité neuronale des neurones épineux moyens du striatum est modulée par les récepteurs de la dopamine qui sont en étroites interactions avec les récepteurs de l’adénosine. Bien que la signalisation de la dopamine et de l’adénosine ait été l’objet de nombreuses attentions, les mécanismes impliqués dans la régulation, par les récepteurs D2 de la dopamine et A2A de l’adénosine, dans le contrôle du potentiel membranaire et de l’excitabilité intrinsèque des neurones épineux moyens du striatum et leurs conséquences sur cette excitabilité en cas de déplétion en dopamine (mimant la maladie de Parkinson) restent encore très méconnues.<p>Dans ce travail de thèse, nous avons donc tenté d’élucider les mécanismes de régulation des récepteurs D2 et A2A et leurs interactions dans la modulation de la transition du potentiel membranaire et de l’excitabilité intrinsèque des neurones striataux, ainsi que les conséquences d’une déplétion en dopamine sur cette excitabilité neuronale. <p><p>Dans le premier travail de thèse, sur un modèle in vitro de transition du potentiel membranaire et par l’utilisation de peptides compétitifs, nous avons montré que les récepteurs D2 et A2A régulent le plateau de dépolarisation du potentiel membranaire induit par le NMDA via un mécanisme d’interaction protéine-protéine intramembranaire. En effet, l’activation du récepteur D2 supprime la transition entre un potentiel membranaire hyperpolarisé, le « down-state » et un plateau de dépolarisation du potentiel membranaire, le « up-state » par la régulation de l’activité du canal calcique Cav1.3a interagissant avec la protéine d’ancrage Shank. L’activation du récepteur A2A per se n’a pas d’effet, mais il réverse totalement la modulation de la transition du potentiel membranaire par le récepteur D2 selon un mécanisme dans lequel l’hétéromérisation des récepteurs A2A-D2 est strictement nécessaire, démontrant ainsi un intérêt physiologique direct de ces hétéromères. Nos travaux démontrent que la transition du potentiel membranaire et la fréquence de décharge des potentiels d’action des neurones striataux sont étroitement contrôlées par les récepteurs D2 et A2A via des interactions spécifiques protéine-protéine impliquant une hétéromérisation des récepteurs A2A-D2.<p><p>Dans la seconde étude présentée dans cette thèse, nous avons mis en évidence une régulation antagoniste de l’excitabilité intrinsèque des neurones épineux moyens du striatum par les récepteurs D2 et A2A via des mécanismes impliquant la modulation d’une conductance potassique de type A (IA). Par ailleurs, nous avons montré qu’une déplétion en dopamine conduit à une augmentation de l’excitabilité intrinsèque de ces neurones via une diminution d’une conductance IA. Malgré une forte diminution des afférences synaptiques excitatrices déterminées par une diminution de la densité des épines dendritiques et une augmentation du courant minimal nécessaire pour induire un premier EPSP, l’augmentation de l’excitabilité intrinsèque induite par la déplétion en dopamine résulte en un renforcement de la réponse des synapses restantes, permettant aux neurones striataux de répondre à une stimulation en provenance des afférences excitatrices de manière similaire voire même, plus efficace que dans les conditions contrôles. De plus, cette augmentation de l’excitabilité intrinsèque via la régulation d’une conductance IA représente une forme de plasticité homéostatique permettant au neurone de compenser une perturbation de l’activité neuronale ou de la transmission synaptique et donc d’assurer une stabilité de son patron de décharge des potentiels d’action. Ces données montrent la capacité de cette homéostasie à maintenir la fréquence de décharge des neurones striataux dans une gamme fonctionnelle, et ce dans des conditions pathologiques, permettant de stabiliser l’activité neuronale dans un réseau altéré.<p><p><p>En conclusion, l’ensemble de ce travail de thèse a permis de mettre en évidence une interaction fonctionnelle des récepteurs D2 de la dopamine et A2A de l’adénosine dans la régulation du contrôle de l’excitabilité des neurones épineux moyens du striatum. Il a également permis d’établir l’existence d’un mécanisme de plasticité homéostasique intervenant dans ce système neuronal altéré, afin de maintenir une activité électrique fonctionnelle des neurones striataux.<p> / Doctorat en sciences biomédicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Η παρούσα εργασία αφορά στη μελέτη της ανταγωνιστικής αλληλεπίδρασης των Α1/D1 υποδοχέων στο επίπεδο έκφρασης του πρώιμου γονιδίου zif/268 (δείκτης νευρωνικής δραστηριότητας) και της in vivo μεταγωγής σήματος των Α1 και Α2Α υποδοχέων αδενοσίνης κάτω από τη ντοπαμινεργική απονεύρωση στο μυ weaver. Ο μυς weaver αποτελεί ένα γενετικό μοντέλο ντοπαμινεργικής απονεύρωσης, η οποία συμβαίνει σταδιακά, έτσι ώστε το μοντέλο αυτό να προσομοιάζει τη Νόσο Πάρκινσον (ΝΠ) στον άνθρωπο. Στο πρώτο στάδιο της μελέτης προέκυψε το ενδιαφέρον αποτέλεσμα ότι με την ταυτόχρονη ενεργοποίηση των Α1 και D1 υποδοχέων παρατηρήθηκε η αναμενόμενη ανταγωνιστική αλληλεπίδραση (ενδεχομένως μέσω σχηματισμού του ετεροδιμερούς), ενώ με την ενεργοποίηση μόνο των Α1 υποδοχέων στους weaver μύες παρατηρήθηκε αυξημένη ενεργοποίηση των νευρώνων του ραβδωτού σώματος και συγκεκριμένων περιοχών του εγκεφαλικού φλοιού. Η ενεργοποίηση αυτή ήταν μη αναμενόμενη, δεδομένου ότι οι Α1 υποδοχείς (A1Rs) είναι συζευγμένοι με Gi πρωτεΐνες και καταστέλλουν τη μεταγωγή σήματος που οδηγεί στην επαγωγή του zif/268 μέσω του D1R/Gs/cAMP/PKA/pDARPP-32/pCREB μονοπατιού. Η ακόλουθη διερεύνηση του μηχανισμού έδειξε ότι η Α1R-επαγόμενη ενεργοποίηση του zif/268 καταστέλλεται από τον ειδικό ανταγωνιστή των Α2Α υποδοχέων αδενοσίνης (A2ARs) ZM241385 και από τον ειδικό αγωνιστή των D2 υποδοχέων ντοπαμίνης Quinpirole, υποδεικνύοντας την ενεργοποίηση των Α2ΑRs και άρα ενεργοποίηση της έμμεσης οδού. Το αποτέλεσμα αυτό επιβεβαιώθηκε, δεδομένου ότι η διέγερση των Α1Rs προκάλεσε αύξηση της έκφρασης του mRNA της εγκεφαλίνης, αλλά όχι της δυνορφίνης, που αποτελούν δείκτες ενεργοποίησης της έμμεσης και της άμεσης οδού, αντίστοιχα. Το γεγονός ότι ο αγωνιστής των Α1Rs δεν προκαλεί στα φυσιολογικά ζώα ενεργοποίηση του zif/268 mRNA υποδεικνύει την υπερευαίσθητη απόκριση των Α2ARs. Η μελέτη της υπερευαίσθητης αυτής απόκρισης στο μυ weaver έγινε με τη διερεύνηση της μεταγωγής σήματος μετά από in vivo ενεργοποίηση των Α2ΑRs: α) του καθιερωμένου μονοπατιού Α2ΑRs/Gs/AC/cAMP/PKA/pDARPP-32/pCREB, το οποίο οδηγεί στη επαγωγή του zif/268 και β) του μονοπατιού των ΜΑΡΚ. Τα αποτελέσματα έδειξαν αυξημένα βασικά επίπεδα φωσφορυλίωσης της DARPP-32 στη θέση Thr-34. Τα αυξημένα επίπεδα της φωσφορυλιωμένης DARPP-32 πολλαπλασιάζουν τη δράση της ΡΚΑ και άρα διευκολύνουν τη μεταγωγή σήματος μέσω Α2ΑRs/Gs/AC/cAMP/PKA/pDARPP-32/pCREB μονοπατιού. Επομένως, η υπερευαίσθητη απόκριση των Α2ΑRs κάτω από την έλλειψη ντοπαμίνης στο μυ weaver φαίνεται να οφείλεται στα αυξημένα ενδογενή επίπεδα της φωσφορυλιωμένης DARPP-32. Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι τα βασικά επίπεδα φωσφορυλίωσης των πρωτεϊνών ERK1/2(MAPK44/42) είναι αυξημένα στον μυ weaver, αλλά μειώνονται σημαντικά μετά από την ενεργοποίηση των Α2ΑRs. Δεν γνωρίζουμε το μηχανισμό μέσω του οποίου αυξάνονται τα ενδογενή επίπεδα των ERK1/2 και πρέπει να διερευνηθεί περαιτέρω. Το συμπέρασμα όμως που εξάγεται είναι ότι κάτω από τη ντοπαμινεργική απονεύρωση η μεταβίβαση σήματος μέσω των Α2ΑRs δεν ενεργοποιεί την οδό των MAP κινασών. Στην παρούσα in vivo μελέτη αναδεικνύεται ο ρόλος των Α1 και Α2Α υποδοχέων στην λειτουργία των βασικών γαγγλίων κάτω από τη ντοπαμινεργική απονεύρωση. Τα αποτελέσματα αυτά έχουν ιδιαίτερη σημασία δεδομένου ότι εμφανίζονται σε ένα γενετικό μοντέλο παρκινσονισμού, στο οποίο η εκφύλιση των ντοπαμινεργικών νευρώνων είναι σταδιακή και προσομοιάζει τη ΝΠ, και όχι οξεία, όπως σε άλλα τοξικά μοντέλα. Επιπλέον, τα αποτελέσματα αυτά παρουσιάζουν ενδεχομένως κλινικό ενδιαφέρον, δεδομένου ότι η ενεργοποίηση της έμμεσης οδού μέσω Α1Rs από την ενδογενή αδενοσίνη θα επιδείνωνε περαιτέρω τις κινητικές δυσλειτουργίες της ΝΠ. Η πληροφορία αυτή, καθώς και η γνώση για την ενισχυμένη μεταγωγή σήματος μέσω των Α2Α υποδοχέων ενισχύουν την πρόταση για χρήση των Α2Α ανταγωνιστών ως αντιπαρκινσονικά φάρμακα. Δεδομένου ότι σήμερα το ενδιαφέρον είναι στραμμένο στη δημιουργία διμερών προσδεμάτων (bivalent ligands) που μπορούν να δρουν ταυτόχρονα σε δύο υποδοχείς, η συγκεκριμένη πληροφορία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για μελλοντική δημιουργία φαρμακευτικού σχήματος που να δρα ταυτόχρονα ως αγωνιστής των D2 υποδοχέων ντοπαμίνης και ως ανταγωνιστής των Α2Α υποδοχέων αδενοσίνης. / The present work studied the antagonistic interaction of A1/D1 receptors at the level of mRNA expression of the immediate early gene zif/268 (used as a marker of neuronal function). In parallel we studied the in vivo signal transduction of A1 and A2A adenosine receptors under dopamine deficiency in weaver mutant. The weaver mutant represents the only genetic animal model of gradual nigrostriatal neuron degeneration, which can be characterized as a pathophysiological phenocopy of Parkinson’s Disease. In the first part of the study, the co-activation of A1 and D1 receptors revealed the well-known antagonistic interaction of these receptors (possibly through the formation of A1/D1 heterodimer) in weaver mutant. An interesting result was that the activation of A1 receptors alone did induce zif/268 mRNA expression in stiatal and specific cortical neurons in weaver mutant. This induction was not expected, since A1 receptors are Gi-coupled and suppress the signal transduction pathway that leads to zif/268 induction through AC/PKA/p-DARPP-32/pCREB cascade. Further study, revealed that the A1 receptor-induced zif/268 mRNA expression is counteracted by the A2A receptor selective antagonist ZM241385 and by the D2 receptor selective agonist Quinpirole, suggesting the activation of A2A receptors and thus the activation of the “indirect pathway”. Moreover, A1 receptors activation induced the expression of enkephalin mRNA, but not of dynorphin, which are considered as marker of neuronal activation of the “indirect” and the “direct” pathway, respectively. The fact that the A1 receptor agonist did not induced zif/268 mRNA expression in +/+ animals indicates that under dopamine deficiency the A2A receptors react with a supersensitive response. This response was analyzed in weaver mouse after in vivo A2A receptor activation: a) by examining the classical signal transduction pathway of A2A receptors/AC/PKA/p-DARPP-32/pCREB, which leads to zif/268 expression and b) by studying the MAPK cascade. Results showed increased basal phosphorylation levels of DARPP-32 (dopamine- and cAMP-regulated phosphoprotein, MW 32kDa) of Thr-34 in weaver compared to control mice. Increased phosphoThr34-DARPP-32 would amplify the effects of the PKA and thus facilitating the signal transduction through A2A receptors/AC/PKA/p-DARPP-32/pCREB. Therefore, the A2A receptors supersensitive response under dopamine deficiency in weaver mutant seems to be due to elevated endogenous phosphorylation levels of DARPP-32. Interestingly, while the basal phosphorylation levels of ERK1/2 (MAPK44/42) are elevated in weaver mutant, they are significantly reduced after A2A receptor activation. Although we do not know the mechanism through which the endogenous ERK1/2 levels are elevated, the conclusion is that, under dopamine deficiency, A2A receptors do not activate MAPK cascade. The present in vivo study demonstrates the role of A1 and A2A adenosine receptors in the function of basal ganglia under dopamine deficiency. Our results are significant since the expreriments were performed in a genetic parkinsonian model, in which the dopaminergic neurons are gradually degenerated and thus simulate the human PD, and not in an acute toxic model. Moreover, these results could be of possible clinical relevance, since the activation of A1 receptors by endogenous adenosine would exaggerate the motor dysfunctions of PD. Furthermore, the enhanced signal transduction pathway through A2A receptors supports the suggestion that the A2A receptor antagonists as antiparkinsonian agents. Given the well-known A2A/D2 antagonistic interaction, new therapeutical prospectives would involve the development of pharmacological bivalent ligands, which can interact with the A2A/D2 receptors and act simultaneously as A2A receptor antagonists and as D2 receptor agonists.