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NAChR and signal transduction Neuromuscular junction and nervous system Central nervous system ACh.

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1 nAChR and signal transduction Neuromuscular junction and nervous system Central nervous system ACh

2 S S Activation (ms) Desensibilisation (s-min) B A D ACh 100 pA 2 s B A A D A B D B Function of nAChRs

3 The « cys-loop » receptor superfamily GABA A GABA C Glycine 5HT 3 A,B nAChR Anionic Cationic AChBP (2001) Bacterial (2005) putative homologs No channel Na + ACh C C C C AChBP

4 Functions as a pH-activated ion channel pH 5 1s 1nA Open Closed Cross-linking (DSP, M) 1-mer 2-mer 3-mer 4-mer 5-mer Displays a Pentameric Structure Bocquet, Prado de Carvalho, Cartaud, Neyton, Le Poupon Taly, Grutter, Changeux, Corringer, Nature, 2007 Prokaryotic origin of « cys-loop » receptors Homolog from the cyanobacterium Gloeobacter violaceus C C ProkaryotesEukaryotes

5 T T M M ECD T T M M ECD PBP TMTM TMTM cache MCP T T M M ECD T T T M M M ECD cytoplasm TMTM family 1 family 2 family 4 family 2,3,4 (Cyhu) family 1,2 family 1,3,4 Natural history of « cys-loop » receptors family 3 family 4

6 Miyazawa et al. (2003) Nature 423, Brejc et al. (2001) Nature 411, AChBP 2.7 Å Torpedo 4.0 Å Structure of « cys-loop » receptors

7 La superfamille à « cys-loop » 4

8 GABA-A GABA-C Gly nACh 5-HT 3 A,B CationicAnionic Nicotine: Addiction Neuroprotection Parkinson Analgesia cognition Barbiturates benzodiazepines: Anxiolytics Anesthetics Superfamily of « cys-loop » receptors General Anesthetics Ethanol

9 Éléménts de pharmacologie clinique des récepteurs cys-loop: 1- le récepteur nicotinique de la jonction neuro-musculaire et les Syndromes myasthéniques congénitaux 2- les récepteurs nicotiniques centraux et la dépendance à la nicotine 3- les récepteurs GABAA centraux et laction de benzodiazépines

10 1- Le récepteur nicotinique de la jonction neuro-musculaire et les Syndromes myasthéniques congénitaux

11 Nicotinic acetylcholine receptors (nAChR) at the neuromuscular junction ACh Na +

12 Agonistes partiels Antagonistes compétitifs Bloquants non-compétitifs acétylcholine (ACh) Curare Chlorpromazine nicotine Pharmacologie du nAChR musculaire alpha-toxines

13 la jonction neuro-musculaire

14 La jonction neuro-musculaire par microscopie electronique

15

16 Le récepteur de la jonction neuro-musculaire

17 Syndromes myasthéniques « Perte dexpression » Récessif nAChR fétal nAChR adulte

18

19

20

21

22 Syndromes myasthéniques « Fast-channel » MEPC: miniature endplate potential Récessif, traitement inhibiteurs de la choline-estérase

23 La jonction neuro-musculaire « Fast-channel »

24 Syndromes myasthéniques « Slow-channel » Dominant, traitement: Quinidine

25 La jonction neuro-musculaire « Slow-channel »

26 Le cas du T264P 1 M ACh

27 Phénotype L pour le mutant T264P L*

28 Reconstitution des évènements unitaires par le modèle MWC (Stoic), à 0,3 M ACh

29 Ion conducting pathway Synaptic domain Transmembrane domain membrane Ion conducting pathway BAD

30 2- les récepteurs nicotiniques centraux et la dépendance à la nicotine

31

32 Effects multiples de la nicotine

33 ACh 2 s membrane Courant (pA)

34 ACh 2 s membrane Courant (pA) Liaison Nicotine

35 2 s membrane Courant (pA)

36 2 s membrane Courant (pA)

37 2 s membrane Courant (pA) Na + K+K+ Activation 50 s

38 2 s membrane Courant (pA) Désensibilisation 10ms-min

39 membrane Réticulum endoplasmique Nicotine chronique Heures-jours

40 Augmentation ou « up-régulation » Heures-jours

41

42 Thalamus Hypothalamus Amygdala Striatum Olfactory bulb Cortex Hippocampus Medial Habenula Locus Coeruleus Spinal Cord Raphe Nuclei Substantia Nigra Ventral Tegmental area Interpeduncular nucleus Cerebellum Modified from Gotti et al, TIPS 2006 Distribution régionale des nAChRS dans le cerveau

43 souris knock-out 2 et dépendance à la nicotine

44 souris knock-out 2 et planification du comportement

45 The reward pathway for nicotine addiction Maskos et al, Nature 2005 Lentiviral re-expression of Dopaminergic neurons (VTA) WT 2 KO 2VTA Injection stéréotaxique de lentivirus re-exprimant la sous-unité

46 Nicotine elicited dopamine release WT 2KO 2VTA WT 2KO 2VTA La ré-expression de 2 dans la VTA restore la libération de dopamine et lautoadministration à la nicotine

47 Role of nAChR molecular properties in brain signaling? Role of ACh affinity & desensitization in brain signaling and nicotine action? S S B D A cholinergic inter Pedoculo pontain PPTg VTA NAcc Role of up-regulation in chronic nicotine action? Time (h) Nicotine (ng/ml)

48 From Jensen et al, J. Med. Chem, 2005 Pathologies liées aux nAChRs

49 Cellular and molecular dissection of the mechanism of up-regulation

50 Perry et al., JPET Prefrontal cortexTemporal cortex Up-régulation des nAChRs par la nicotine chronique chez le fumeur liaison de 3 H-nicotine liaison de 3 H-nicotine Fumeur Non-fumeur

51 E.R. Protéasome Golgi Surface Nucleus Up-regulation du nAChR human dans HEK293 Epibatidine binding [Nicotine] (M) Electrophysiologie [Nicotine] (M) ACh 30mM ACh 1mM N N ? Nicotine

52 Biosynthèse et traffic des récepteurs Biosynthèse et traffic des récepteurs Chasse (heure) Marquage métabolique Anti- 2 mAb290 immunoprecipitation espèces High-mannose Endo-H PNGase-F espèces Complexes Endo-H PNGase-F E.R. Golgi Surface Nucleus

53 La nicotine: un facilitateur maturationnel des nAChRs Sallette et al, Neuron 2005, Corringer et al, J. Physiol 2006 Pulse Chase Chasse (h) 00,751, Nicotine N N E.R. Proteasome Golgi Surface Nucleus Nicotine

54 BCDE FA Up-regulation ratio 5 NH 2 HOOC Nicotine - + [ 3 H]Epibatidine Binding 100 i j Nicotine i j Un microdomaine critique Pour lup-régulation des nAChRs

55 ACh Nicotine S S Activation (ms) Desensibilisation (s-min) B A D Up-régulation (heures-jours) Nicotine chronique Na + K+K+ 60Å ACh 40Å 70Å 100Å

56 3- les récepteurs GABAA centraux et laction de benzodiazépines

57 Les effecteurs allostériques des récepteurs GABAA

58 effecteurs allostériques positifs et négatifs

59 GABA benzo GABA flunitrazepan muscinol Site des benzodiazépines

60 GABA benzo A,B,C D,E,F A,B,C D,E,F

61 Explorations fonctionnelles par génétique chez la souris KO= knock-out (délétion) KI= Knock-in (mutation) loopA, insensible au diazepam 3: N265M, insensible aux anesthésiques généraux

62

63 Institut Pasteur Pierre Benoit Nicolas Bocquet Sébastien Bohler Jean-Pierre Changeux Isabelle Cloëz-Tayarani Anne Devillers-Thiéry Naïla Even Régis Grailhe Thomas Grutter Nicolas Le Novère Chantal Le Poupon Stéphanie Pons Lia Prado de Carvalho Jérome Sallette Martine Soudant Antoine Taly Laboratoire de Neurobiologie ENS Jacques Neyton Biologie Cellulaire des Membranes Institut Jacques Monod Jean Cartaud Remerciements


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