Oligomerización de receptores α₁ᴀ adrenérgicos y receptores dopaminérgicos en el SNC: implicación en la modulación de la atención

Abstract

La atención es el proceso cognitivo básico que nos otorga la capacidad de seleccionar aquella información interna o externa que va a ser relevante para la toma de decisiones y el control del comportamiento. Múltiples regiones cerebrales interconectadas entre ellas forman una compleja red de circuitos neuronales capaces de activar y modular diversas funciones cognitivas, como la atención. Concretamente, la corteza prefrontal (PFC) es un punto neurálgico de estos circuitos que, a través de distintas regiones funcionales, orquesta prácticamente todos los aspectos del comportamiento y la cognición humana. A su vez, la PFC y sus conexiones se encuentran finamente regulados por complejos sistemas de neurotransmisores capaces de responder a demandas internas o externas provocando la activación o la inhibición de la atención y las respuestas cognitivas y/o motoras apropiadas. Entre estos sistemas de neurotransmisores destaca el sistema catecolaminérgico. La noradrenalina (NE) y la dopamina (DA) actúan cooperativamente para ejercer efectos complementarios en el refuerzo y la regulación de las conexiones de la PFC mediante la activación diferencial de distintas familias de receptores acoplados a proteína G (GPCRs), los cuales son importantes dianas terapéuticas para el tratamiento de diversos trastornos neuropsiquiátricos. Actualmente, está plenamente aceptado que los GPCRs pueden interaccionar entre sí para generar tanto homo- como heterooligómeros que representan una nueva entidad funcional con características bioquímicas y farmacológicas únicas, por lo que los heterómeros de GPCRs se consideran posibles dianas farmacológicas. Múltiples estudios han reportado la capacidad de los receptores de DA para formar complejos oligoméricos, lo que sugiere un papel clave del proceso de oligomerización en la regulación de la señalización DAérgica. El objetivo de esta Tesis ha sido evaluar si los efectos complementarios de la DA y la NE en la PFC y en el estriado son, en parte, regulados por interacciones intramoleculares en complejos formados por sus receptores. Nuestros resultados ponen de manifiesto la capacidad del receptor adrenérgico α1A para formar heterodímeros funcionales con los receptores de dopamina, D4 y D1ike en células vivas y en PFC y estriado de rata. Los receptores en estos complejos actúan como moduladores alostéricos del otro protómero, produciendo modificaciones en las potencias de activación de sus proteínas G canónicas y alterando su selectividad funcional. Funcionalmente, los heterodímeros D4R-α1AR y D1R-α1AR exhiben un patrón común de modulación negativa bidireccional tras la coactivación de los receptores tanto con agonistas, como con antagonistas de la pareja. Lo que indica que la interacción molecular entre receptores catecolaminérgicos de distinta familia actúa atenuando la respuesta de los

protómeros en el complejo. Además, se ha descrito diferencias funcionales clave entre la variante más común del receptor D4, D4.4R, y la variante vinculada al trastorno por déficit de atención e hiperactividad (TDAH), D4.7R. Estas diferencias funcionales resultaron ser dependientes de su heteromerización con α1AR. Los receptores D4, D1 y α1A participan diferencialmente en la modulación de la atención, las funciones ejecutivas y del control motor. Dado que estos procesos se encuentran afectados en distintas patologías neuropsiquiátricas como, por ejemplo, en los trastornos del neurodesarrollo, como el TDAH, el síndrome de Gilles de la Tourette, el trastorno obsesivo compulsivo o los trastornos del espectro autista, nuestros resultados sugieren que los heterodímeros de estos receptores pueden ser dianas terapéuticas prometedoras para el tratamiento de trastornos neuropsiquiátricos. Los resultados de esta Tesis ponen de manifiesto la relevancia de la heteromerización de receptores adrenérgicos y dopaminérgicos en la PFC y el estriado para modular los efectos complementarios de las catecolaminas. Así, estos heterodímeros constituyen un nivel superior, y más complejo de la regulación de la señalización catecolaminérgica.

Attention is defined as a set of cognitive processes that select certain relevant information while enabling the inhibition of irrelevant inputs. The prefrontal cortex (PFC) via its extensive connection to sensory cortices and subcortical regions plays a pivotal role in top-down attentional modulation and other complex cognitive processes as executive functions. The catecholamines, dopamine (DA) and norepinephrine (NE), act cooperatively as neuromodulators of the PFC networks activity. Thus, alterations of DA and NE signaling has been linked to several disorders comorbid to attentional and cognitive deficits including neurodevelopmental disorders as attention-deficit hyperactivity disorder (ADHD), autism, Tourette’s syndrome and obsessive compulsive disorder (OCD). DA and NE mediate its physiological effects acting through different G protein-coupled receptors (GPCRs), which are important pharmacological targets to the above mentioned disorders. A large number of GPCRs have been described to interact with another receptors forming homodimers, heterodimers and higher order oligomers with different pharmacological and functional properties than of its individual components, being new and more specific drug targets. The aim of this Thesis has been to determine whether the coordinate effects of DA and NE in PFC modulation are mediated by molecular interactions between its receptors. We have proven that DA, D4 and D1like, receptors are forming functional heterodimers with α1A adrenergic receptors in living cells as well as in rat PFC and striatum. The heterodimers characterization demonstrated that the receptors within D4R-α1AR and D1R-α1AR complexes acts as allosteric modulators of the partner, modifying its activation potencies of cognate G proteins and its functional selectivity. Functionally, the complexes display a common negative cross-modulation pattern upon receptors coactivation, indicating that the molecular interaction between DA and NE receptors are attenuating the protomers response in the complex. Moreover, we have described pivotal functional differences between the common D4 receptor variant, D4.4R, and the ADHD related variant, D4.7R, upon its heterodimerization with α1AR. D4, D1 and α1A receptors are involved in attention and executive processes modulation and in motor control. Given that these processes are impaired in different neuropsychiatric pathologies, as neurodevelopmental disorders, our results suggest that D4R-α1AR and D1R-α1AR heterodimers could be targeted for the therapeutic treatment of such neurological disorders.