Heterómeros de receptores de dopamina D1 y de histamina H3 como potenciales dianas terapéuticas en trastornos adictivos y enfermedades neurodegenerativas

Abstract

Los GPCRs son proteínas de membrana versátiles capaces de ser activadas por una amplia variedad de estímulos y son responsables de la transducción de señales extracelulares de manera específica. Regulan múltiples procesos fisiológicos, por lo que constituyen el 34% de las dianas de los fármacos comercializados en la actualidad. Aun así, existe el problema de la falta de selectividad de los ligandos ortostéricos y de la gran variedad de procesos que se ven modulados por la estimulación de un mismo GPCR dependiendo de su localización o interacción con otras proteínas. Concretamente, las interacciones con otros receptores a nivel de membrana plasmática son capaces de afectar notablemente a las propiedades del receptor, por lo que la formación de complejos homodiméricos, heterodiméricos y oligoméricos de orden superior da lugar a un nuevo tipo de diana farmacológica con una posible especificidad de localización y con características bioquímicas y/o funcionales demostrablemente diferentes a las de sus componentes individuales. El sistema histaminérgico ha mostrado su capacidad de modular un gran abanico de procesos fisiológicos, muchos de los cuales son también regulados por la dopamina, lo que sugiere la necesidad de un equilibrio y comunicación entre ambos sistemas de neurotransmisión. En esta Tesis se ha profundizado en la caracterización farmacológica y funcional de la heteromerización entre receptores dopaminérgicos D1 e histaminérgicos H3 y sus isoformas, así como la interacción de éstos con otros receptores y su posible implicación en diversos desórdenes neurológicos. Con respecto a los trastornos por adicción a cocaína, se sabe que, además del DAT, el receptor D1 juega un papel importante y se encuentra sobreactivado. En esta Tesis se ha descrito un nuevo mecanismo por el cual la cocaína ejercería sus efectos, que consiste en el bloqueo de la acción inhibitoria que el receptor H3 ejerce sobre el receptor D1. Este bloqueo se produce por la unión de la cocaína al receptor σ1 en el complejo heterotrimérico formado por receptores σ1-D1-H3 y se han propuesto a antagonistas de receptores σ1 y de H3 como una posible terapia combinatoria para reducir los efectos de la cocaína. En etapas tempranas de la enfermedad de Huntington también se produce una sobreactivación de receptores D1 que provoca un desequilibrio en la transmisión dopaminérgica y finalmente muerte celular. En esta Tesis se ha identificado la formación de heterómeros de receptores D1-H3 en la corteza, núcleo estriado e hipocampo de ratones modelo de la enfermedad, cuyo tratamiento temprano con tioperamida, un antagonista del receptor H3, ha mostrado la capacidad de prevenir la muerte celular y la aparición de déficits cognitivos. El glutamato es un neurotransmisor excitatorio que también provoca muerte celular por excitotoxicidad cuando es liberado en exceso y se ha asociado con la disfunción neuronal y neurodegeneración presentes en la enfermedad de Alzheimer, concretamente por la sobreactivación crónica de receptores NMDA extrasinápticos. En esta Tesis se ha descrito que los receptores D1 y H3 forman complejos heterotriméricos con el receptor NMDA en la corteza cerebral de ratones modelo de esta enfermedad y se ha descrito la capacidad de antagonistas del receptor H3 de regular negativamente la señalización e inducción de muerte celular excitotóxica inducida por la sobreactivación tanto del receptor D1 como del receptor NMDA. Por último, se han identificado ligandos del receptor H3 capaces de modular alostéricamente tanto la unión de la dopamina al receptor D1 como su funcionalidad. También se han caracterizado funcionalmente distintas isoformas del receptor H3 con importantes implicaciones para la transmisión histaminérgica, así como su capacidad de heteromerizar con el receptor D1 y con el receptor NMDA, pudiendo formar también complejos heterotriméricos con ambos receptores.

Receptor interactions and assembly forming homodimers, heterodimers or oligomeric complexes is becoming widely accepted and constitutes an emerging area in the field of GPCR cell signaling. Receptor heteromers constitute novel therapeutic targets due to their possible specific location and their unique biochemical and functional properties, which are consequence of allosteric modulations. The histaminergic system has shown its ability to modulate multiple physiological processes, many of which are also regulated by dopamine, what suggest the necessity of an equilibrium and communication between both neurotransmitter systems. In this context, the results here presented show the relevant role of dopamine D1 and histamine H3 receptor heteromerization in different pathological processes as addiction, Huntington’s and Alzheimer’s diseases. In the pathophysiology of cocaine addiction, DAT inhibition and overactivated D1 receptors play an important role. Here we have described that cocaine could cause its effects by blocking the H3 receptor-mediated inhibition of D1 receptor function. This blockade requires cocaine binding to σ1 receptors in heterotrimeric σ1-D1-H3 receptor complexes and we propose combined therapy with σ1 and H3 antagonists to potentially reduce cocaine effects. D1 receptors are also overactivated in early Huntington’s disease, causing an imbalance in dopaminergic signaling and finally cell death. Here we have detected D1-H3 heteromers in cortex, striatum and hippocampus from a mice model of Huntington’s disease, whose treatment with thioperamide, an H3 antagonist, has shown the ability to prevent both cell death and cognitive impairment. High levels of glutamate have also been related to neuronal death in Alzheimer’s disease, caused by the excitotoxic effects of overactivated extrasynaptic NMDA receptors. Here we have discovered that D1 and H3 receptors are found forming heterotrimeric complexes with NMDA receptors in cortex from a mice model of Alzheimer’s disease and that H3 antagonists can negatively modulate the signaling and cell death induction by overactivated D1 or NMDA receptors. Finally, we have identified H3 receptor ligands able to allosterically modulate dopamine binding to D1 receptor and its functionality, besides the ability of pharmacologically-characterized distinct H3 receptor isoforms to form heteromers with D1, with NMDA and with both receptors, with important implications for histaminergic signaling.