El Objetivo General de esta Tesis ha sido investigar la formación y función de heterómeros entre receptores de dopamina y otros receptores que puedan estar implicados en la regulación de la transmisión dopaminérgica, como receptores de galanina, histamina, adrenérgicos o receptores sigma-1. Basándonos en que tanto la galanina como la dopamina modulan la liberación de acetilcolina en el hipocampo, se ha demostrado que los receptores de dopamina de la familia D1 (receptores D1 y D5) pueden formar heterómeros con los receptores de galanina Gal1 y Gal2 y se ha estudiado la función de estos heterómeros en la liberación de acetilcolina en el hipocampo. En el estriado, los receptores de dopamina D1 se localizan en las neuronas GABAérgicas dinorfinérgicas donde también se localizan receptores de histamina H3. Este hecho permite formular la hipótesis de que estos receptores de histamina modulen la transmisión dopaminérgica mediante la formación de heterómeros y que esto pueda explicar algunos de los resultados contradictorios sobre las interacciones funcionales entre receptores H3 y receptores de dopamina. Teniendo en cuenta todo ello, se ha demostrado que los receptores de dopamina D1 pueden formar heterómeros con los receptores de histamina H3 y se han estudiado las implicaciones funcionales de estos heterómeros en cultivos celulares y en el estriado. Las vías dopaminérgicas y especialmente la señalización mediada por los receptores D1 y D2 de dopamina, están profundamente implicadas en la adicción a cocaína. Una gran parte de los efectos mediados por la cocaína se atribuyen a una sobre-estimulación de la señalización de los receptores de dopamina debida al incremento de dopamina ocasionado por la inhibición por cocaína del transportador de dopamina (DAT). Sin embargo, la cocaína, además de interaccionar con DAT, puede unirse a otras proteínas como los receptores sigma-1. En este contexto, es interesante conocer si los receptores sigma 1 pueden modular la funcionalidad de los receptores de dopamina D1 y D2 mediante un proceso de heteromerización. Por ello, se ha demostrado que los receptores D1 y D2 de dopamina pueden formar heterómeros con los receptores sigma-1 e investigado el efecto que ejerce la cocaína, mediado por estos heterómeros, en la transmisión dopaminérgica. El receptor de dopamina D4 pertenece a la familia de receptores de dopamina D2 y, en humanos, es el único que presenta formas polimórficas, las más comunes D4.4, D4.2 y D4.7. Existe una clara relación entre la forma polimórfica D4.7 del receptor D4 humano con el trastorno de hiperactividad y déficit de atención. No existen muchas diferencias funcionales entre las formas polimórficas por lo que no se conoce cuales son las repercusiones bioquímicas de expresar una u otra forma. Nuestra hipótesis de trabajo es que podían existir diferencias en la capacidad de formar heterómeros con otros receptores de dopamina como el D2 y que estos heterómeros podrían modular la liberación de glutamato en el estriado, lo que podría ser relevante en el trastorno de hiperactividad y déficit de atención. Por ello, se ha demostrado que los receptores D2 y D4 de dopamina pueden formar heterómeros en células vivas y en el tejido estriatal y se ha estudiado su papel en la liberación de glutamato en el estriado. 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. Dado que la glándula pineal está bajo el control de los receptores alfa-1B y beta-1 adrenérgicos, cuya activación está altamente relacionada con la regulación del ritmo circadiano y la síntesis y liberación de serotonina y melatonina, una posibilidad es que los receptores de dopamina D4 puedan modular la función de los receptores adrenérgicos de la glándula pineal mediante un proceso de heteromerización. Para estudiar esta posibilidad se ha demostrado que los receptores D4 de dopamina pueden formar heterómeros con los receptores alfa-1B y beta-1 adrenérgicos y se ha investigado su presencia y función en la glándula pineal de rata. / DOPAMINE RECEPTOR´S HETEROMERS. NEW MECHANISMS FOR THE REGULATION OF DOPAMINERGIC TRANSMISSION The main objective of this Thesis has been to investigate the formation and function of heteromers between dopamine and other receptors that might be implicated in the regulation of dopaminergic transmission, such as galanin, histamine, adrenergic or sigma-1 receptors. Firstly, it has been demonstrated that dopamine D1-like family receptors (D1 and D5) can form heteromers with galanin Gal1 and Gal2 receptors. The functional association of these heteromers has been studied within the context of the liberation of acetylcholine in the hippocampus. Secondly, it has been shown that dopamine D1 receptors can form heteromers with histamine H3 receptors. The functional implications of these heteromers have been studied using cellular cultures and native striatum tissue. Thirdly, it has been demonstrated that dopamine D1 and D2 receptors can form heteromers with sigma-1 receptors. The effect of cocaine on the dopaminergic transmission mediated by these heteromers has been investigated. Fourthly, it has been shown that dopamine D2 and D4 receptors can form heteromers both in living cells and striatal tissue and their role on the release of glutamate in the striatum has been studied. Finally, it has been shown that dopamine D4 receptors can form heteromers with adrenergic α1B and β1 receptors, their presence and function has been investigated in rat pineal gland.

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.