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nAChR and signal transduction
Neuromuscular junction and nervous system Central nervous system ACh
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Function of nAChRs B A ACh Activation (ms) Desensibilisation (s-min)
100 pA 2 s Function of nAChRs
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The « cys-loop » receptor superfamily
GABAA GABAC Glycine 5HT3A,B nAChR Anionic Cationic AChBP (2001) Bacterial (2005) putative homologs No channel g a1 d b1 Na+ ACh C AChBP
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Prokaryotic origin of « cys-loop » receptors
Functions as a pH-activated ion channel pH 5 1s 1nA Open Closed Cross-linking (DSP, mM) 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 Prokaryotes Eukaryotes
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Natural history of « cys-loop » receptors
family 1 family 2 family 3 family 4 T T T T M M M M ECD PBP T M cache MCP T T T T M M M M ECD ECD T T T M M M T M cytoplasm family 4 family 1,3,4 family 1,2 family 2,3,4 (Cyhu)
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Structure of « cys-loop » receptors
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
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La superfamille à « cys-loop »
4 p d b1-b4
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Cationic Anionic Superfamily of « cys-loop » receptors a g b b a 5-HT3
Nicotine: Addiction Neuroprotection Parkinson Analgesia cognition Barbiturates benzodiazepines: Anxiolytics Anesthetics General Anesthetics Ethanol a g b b a 5-HT3 A,B nACh GABA-A GABA-C Gly Cationic Anionic
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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 l’action de benzodiazépines
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1- Le récepteur nicotinique de la jonction neuro-musculaire et les
Syndromes myasthéniques congénitaux
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Nicotinic acetylcholine receptors (nAChR)
at the neuromuscular junction ACh Na+
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Pharmacologie du nAChR musculaire
Agonistes acétylcholine (ACh) nicotine Agonistes partiels Antagonistes compétitifs Curare alpha-toxines Bloquants non-compétitifs Chlorpromazine
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la jonction neuro-musculaire
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La jonction neuro-musculaire par microscopie electronique
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Le récepteur de la jonction neuro-musculaire
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Syndromes myasthéniques
« Perte d’expression » Récessif nAChR fétal a2bdg nAChR adulte a2bde
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Syndromes myasthéniques « Fast-channel »
Récessif, traitement inhibiteurs de la choline-estérase MEPC: miniature endplate potential
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La jonction neuro-musculaire « Fast-channel »
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Syndromes myasthéniques « Slow-channel »
Dominant, traitement: Quinidine
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La jonction neuro-musculaire « Slow-channel »
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Le cas du eT264P 1mM ACh
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Phénotype L pour le mutant eT264P
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Reconstitution des évènements unitaires par le modèle MWC (Stoic), à 0,3 mM ACh
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B A D Ion conducting pathway Ion conducting pathway Synaptic domain
membrane Transmembrane domain
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2- les récepteurs nicotiniques centraux et la dépendance à la nicotine
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Effects multiples de la nicotine
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membrane ACh Courant (pA) 100 2 s
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Liaison ACh Nicotine membrane Courant (pA) 100 2 s
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membrane Courant (pA) 100 2 s
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membrane Courant (pA) 100 2 s
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Activation 50 ms Na+ membrane K+ Courant (pA) 100 2 s
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Désensibilisation 10ms-min membrane Courant (pA) 100 2 s
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Nicotine chronique Heures-jours membrane Réticulum endoplasmique
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Augmentation ou « up-régulation » Heures-jours
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Diversité des nAChRs a7 Homomeric Heteromeric g a1 d b1
Muscle-type a9 - a10 a5 a3 b3 a4 a2 a6 b4 b2 e a8 CNS 1s ACh EC50(ACh) 115M EC50(Nic) 10 M EC50(ACh) 0.7M EC50(Nic) 1.0 M EC50(ACh) 14M Faiblement up-regulés Hautement up-régulés
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Ventral Tegmental area
Distribution régionale des nAChRS dans le cerveau Medial Habenula Hippocampus Cortex 7, 42 452 34? 7, 34 334, 42 7 42 452 252 Olfactory bulb Cerebellum 7, 42 7 42, 34* /32 Locus Coeruleus 42, 623 34 Striatum Spinal Cord 42 452 623 6423 42, 623 , 34 Thalamus Raphe Nuclei 42 Amygdala 42 Interpeduncular nucleus 7, 42 Substantia Nigra Ventral Tegmental area Hypothalamus 34, 7, 334 22*? 42 623, 452, 7, 34 7 42 Modified from Gotti et al, TIPS 2006
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souris knock-out b2 et dépendance à la nicotine
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souris knock-out b2 et planification du comportement
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The reward pathway for nicotine addiction
WT b2 KO b2VTA Dopaminergic neurons (VTA) Maskos et al, Nature 2005 b2 a4 Lentiviral re-expression of b2 Injection stéréotaxique de lentivirus re-exprimant la sous-unité b2
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La ré-expression de b2 dans la VTA restore la libération de dopamine et l’autoadministration à la nicotine WT b2KO b2VTA Nicotine elicited dopamine release WT b2KO b2VTA
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Role of nAChR molecular properties in brain signaling?
cholinergic inter Pedoculo pontain PPTg VTA NAcc B A S S D a7 Time (h) 25 40 Nicotine (ng/ml) Role of ACh affinity & desensitization in brain signaling and nicotine action? Role of up-regulation in chronic nicotine action?
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Pathologies liées aux nAChRs
From Jensen et al, J. Med. Chem, 2005
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Cellular and molecular dissection of the mechanism of up-regulation
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Up-régulation des nAChRs par la nicotine chronique chez le fumeur
Perry et al. , JPET Prefrontal cortex Temporal cortex Up-régulation des nAChRs par la nicotine chronique chez le fumeur liaison de 3H-nicotine Fumeur Non-fumeur
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Up-regulation du nAChR a4b2 human dans HEK293
Epibatidine binding N Nicotine N ? 104 Surface 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 [Nicotine] (M) Golgi Electrophysiologie a4 b2 E.R. ACh 30mM Nucleus ACh 1mM Protéasome 10-6 10-3 [Nicotine] (M)
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Biosynthèse et traffic des récepteurs a4b2
Marquage métabolique Anti-b2 mAb290 immunoprecipitation espèces High-mannose a4 espèces Complexes b2 0.7 1.5 3 9 24 Chasse (heure) Endo-H Endo-H PNGase-F PNGase-F Surface Golgi a4 b2 E.R. Nucleus
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La nicotine: un facilitateur maturationnel des nAChRs
Sallette et al, Neuron 2005, Corringer et al, J. Physiol 2006 N E.R. Proteasome Golgi a4 b2 Surface Nucleus Nicotine Pulse Chase Chasse (h) a4 b2 0,75 1,5 3 9 24 + Nicotine
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Un microdomaine critique Pour l’up-régulation des nAChRs
a3b2 a3b4 [3H]Epibatidine Binding 100 Nicotine B C D E 37 115 64 90 106 F A 1 2 1 Up-regulation ratio 5 b2 b4 NH2 HOOC Nicotine i j i j
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g a1 d b1 ACh Nicotine Activation (ms) Desensibilisation (s-min) B A D
“Up-régulation” (heures-jours) chronique g a1 d b1 Na+ K+ 60Å 40Å 70Å 100Å
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3- les récepteurs GABAA centraux
et l’action de benzodiazépines
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Les effecteurs allostériques des récepteurs GABAA
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effecteurs allostériques positifs et négatifs
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a b b g a Site des benzodiazépines GABA benzo GABA GABA muscinol
flunitrazepan
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a b g b A,B,C D,E,F GABA benzo D,E,F a A,B,C
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Explorations fonctionnelles par génétique chez la souris
KO= knock-out (délétion) KI= Knock-in (mutation) a: loopA, insensible au diazepam b3: N265M, insensible aux anesthésiques généraux
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Remerciements Biologie Cellulaire des Membranes Institut Pasteur
Institut Jacques Monod Jean Cartaud 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
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