Régulation de la voie AMPc/PKA par la voie NO/GMPc et les phosphodiestérases dans les neurones épineux de taille moyenne et les interneurones cholinergiques du striatum

Regulation of cAMP/PKA signaling by NO/cGMP and phosphodiesterases in striatal medium-sized spiny neurons and striatal cholinergic interneurons

• Auteur / Autrice : Ségolène Bompierre
• Direction : Pierre Vincent, Liliana Ribeiro Vivas de Castro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie moléculaire et cellulaire
• Date : Soutenance le 19/04/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physiologie, Physiopathologie et Thérapeutique (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Adaptation biologique et vieillissement (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Antoine Girault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Leroy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Corinne Beurrier, Jérôme Baufreton

Mots clés

Mots clés contrôlés

DOPA

Maladie de Parkinson

Transfert d'énergie entre molécules fluorescentes

Corps strié

Phosphodiestérases

GMP cyclique

AMP cyclique

Mots clés libres

Voies de signalisation AMPc et GMPc

Phosphodiestérases

Striatum

Imagerie de biosenseurs FRET

Maladie de Parkinson

Dyskinésies induites par la L-DOPA

CAMP and cGMP signaling pathways

Phosphodiesterases

Striatum

FRET-based biosensor imaging

Parkinson's disease

L-DOPA-induced dyskinesia

Résumé

La dynamique spatiale et temporelle des seconds messagers permet à une cellule d’intégrer plusieurs signaux extracellulaires et ainsi de constamment s’adapter à son environnement. Dans le striatum, l’AMPc et le GMPc sont deux messagers secondaires hautement impliqués dans l’intégration du signal dopaminergique. La dynamique de ces seconds messagers est dépendante de leur production par les adénylyl ou guanylyl cyclases, respectivement, et de leur hydrolyse par les phosphodiestérases (PDEs). Mon travail de thèse consiste à étudier le rôle fonctionnel de ces PDEs dans la régulation de la voie AMPc/PKA dans deux types de neurones du striatum : les interneurones cholinergiques (ChIN) et les neurones épineux de taille moyenne (MSNs). Ces neurones expriment différentes familles de PDEs, qui possèdent des propriétés biochimiques distinctes. L’imagerie de biosenseurs nous a permis d’étudier en temps réel et dans des neurones morphologiquement intacts, le rôle spécifique de différentes PDEs sur la dynamique de la signalisation intracellulaire AMPc/PKA dans ces neurones. Dans une première partie, nous avons mis en évidence une contribution fonctionnelle spécifique des PDE10A, PDE4B et PDE2A dans l’intégration du signal dopaminergique des MSNs de type D1 et D2. Nous avons montré que la PDE10A, spécifiquement exprimée dans les MSNs, est essentielle au maintien des niveaux de base d’AMPc et est requise pour la désactivation du signal PKA. La stratégie thérapeutique visant à inhiber la PDE10A semble donc délicate à mettre en œuvre car cela risque d'entraîner une hyperactivation de la voie AMPc/PKA dans les neurones MSNs D1 et D2. Cela pourrait expliquer les effets indésirables observés chez les patients traités par des inhibiteurs de la PDE10A conduisant à l'abandon de cette approche. Concernant la PDE2A et PDE4B, elles régulent essentiellement l’amplitude de la réponse à la dopamine, aussi bien au niveau de l’AMPc que de la PKA. Ainsi, cibler ces deux PDEs pourrait permettre de moduler la réponse à la dopamine tout en conservant le contraste temporel de cette réponse, essentiel au bon fonctionnement du striatum. Dans un second temps, nous avons étudié l’action de la voie NO/GMPc sur la signalisation AMPc/PKA dans les MSNs D1 et les ChIN, cette action passant notamment par la PDE2A et la PDE3A, respectivement. Ces expériences ont mis en évidence un effet en miroir d’un donneur de NO sur les niveaux d’AMPc dans ces deux types de neurones. Chez les ChIN, l’augmentation des niveaux de GMPc par le NO conduit à l’inhibition de la PDE3A et donc à une augmentation des niveaux d’AMPc. A l’inverse, chez les MSNs D1, l’activation de la voie NO/GMPc augmente l’activité de la PDE2A et réduit l’amplitude de la réponse à la dopamine, sans toutefois la supprimer. Dans la maladie de Parkinson, la perte progressive des neurones dopaminergiques est associée à une hypersensibilité des MSNs D1 à la dopamine. Cette adaptation combinée au traitement de référence, la L-DOPA, conduit à une sur-activation de la voie AMPc/PKA dans les MSNs D1, responsable des dyskinésies induites par la L-DOPA (LID). Dans ce contexte, les travaux de cette thèse ont mis en évidence que la stimulation de la PDE2A par l’activation de la voie NO/GMPc dans les MSNs D1 réduit efficacement les niveaux très élevés d’AMPc et l’activité de la PKA chez des souris dyskinétiques. Cibler l’activité de la PDE2A pourrait ainsi avoir un intérêt thérapeutique dans le traitement des LID.

Second messengers are spatially and temporally dynamics which enable the cells to respond to multiple extracellular signaling molecules. In the striatum, cAMP and cGMP are highly involved in the integration of dopaminergic signal and their dynamics depends on their production by adenylyl or guanylyl cyclases, respectively, and their hydrolysis by phosphodiesterases (PDE). During my thesis, I studied the functional implication of PDE in the cAMP/PKA signaling pathway in two different types of neurons: cholinergic interneurons (ChIN) and medium-sized spiny neurons (MSNs). Those neurons express different types of PDE with different biochemical properties, allowing for cross-talks between the cGMP and the cAMP pathways. Biosensor imaging reports in real time the cAMP/PKA signals in living neurons, which allows us to study the role of each PDE in ChIN and MSNs. First, my work highlighted the functional role of PDE10A, PDE4B and PDE2A in the integration of dopaminergic signaling in D1- and D2-type MSN. PDE10A, exclusively expressed in MSNs, is essential to maintain low basal cAMP and its activity is required to de-activate PKA. Inhibiting PDE10A to restore a functional cAMP/PKA signaling in disorders such as Parkinson's disease or Huntington's disease would thus probably lead to an overactivated PKA signaling pathway consistent with the unwanted side effects reported in previous clinical trials. In contrast, PDE2A and PDE4B moderate the amplitude of dopamine responses, at the level of cAMP and PKA. This suggests that targeting PDE2A or PDE4B could be a strategy to finely tune the amplitude of dopamine responses without altering the temporal response critical for striatal functions. Second, I studied the role of NO/GMPc signaling on the regulation of cAMP and PKA. An opposite action of NO donor on cAMP levels has been highlighted in D1 MSNs and ChIN. In ChIN, the increase of cGMP by NO donor inhibits, by competition, PDE3A, which increases cAMP levels. On the contrary, the activation of NO/cGMP pathway in D1 MSNs stimulates PDE2A activity, which reduces the amplitude of dopamine response without suppressing it. We thought that this property of PDE2A could have a therapeutic use. In Parkinson’s disease, the progressive loss of dopaminergic neurons is associated with a hypersensitivity of D1 MSNs to dopamine. This adaptation combined with the reference treatment, L-DOPA, lead to an over-activation of cAMP/PKA signaling which are responsible for the development of L-DOPA-induced dyskinesia (LID). In this context, my work highlighted the positive effect of PD2A stimulation by NO donor in the reduction of excessive cAMP level and PKA activity in dyskinetic mice. Therefore, the activation of PDE2A could represent a novel therapeutic strategy to treat LID.