dc.contributor.author
Antolin Fontes, Beatriz
dc.date.accessioned
2018-06-07T16:40:00Z
dc.date.available
2015-09-07T06:57:46.177Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/2863
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-7064
dc.description.abstract
This work identifies a novel synaptic G protein-coupled receptor, Gpr151,
present only in habenular neurons in the human and mouse brain, as a novel
target for the development of smoking cessation therapies. Therefore it
provides new insights into the biology of this specific neuronal cell type and
into the functional role of Gpr151. This study was prompted: first, by our
discovery of the habenula as a key brain area controlling nicotine consumption
and withdrawal (Frahm et al., 2011; Gorlich et al., 2013; Slimak et al., 2014)
and second, by the identification of Gpr151 as highly and specifically
enriched in cholinergic neurons of the medial habenula using the TRAP
methodology when compared to previously collected TRAP data from different
cell types in the CNS (Gorlich et al., 2013). Three main conclusions can be
drawn from this work: First, I show that Gpr151 is exclusively localized at
the axonal projections of habenular neurons where it plays a key role in
regulating nicotine dependence and nicotine withdrawal. Gpr151-expressing
neurons of the medial and lateral habenula project mainly to the
interpeduncular nucleus (IPN), the rostromedial tegmental nucleus (RMTg) and
the raphe nuclei. Respectively, the MHb-IPN tract modulates nicotine-related
behaviors, the RMTg regulates negative reward and the raphe nuclei are
responsible for releasing serotonin to other parts of the brain, suggesting
that Gpr151 could modulate the nicotine addiction circuit, reinforcement
learning, pain, stress and depression-like behavior among others. I
demonstrate that Gpr151 deletion or shRNA-mediated downregulation increased
the sensitivity to nicotine-conditioned reward. In addition, deletion of
Gpr151 induced an anxiety-like response and an increase in the number of
somatic signs in mice undergoing nicotine withdrawal, indicating that Gpr151
expression in habenular terminals attenuates physical and affective signs of
nicotine withdrawal. Second, I show by electron microscopy that Gpr151 is
localized at habenular presynaptic terminals in the interpeduncular nucleus,
specifically at the plasma membrane close to the active zone and also in
association with synaptic vesicles. These findings are critically important
because they clearly identify Gpr151 as a novel presynaptic component in close
proximity to the active zone and specific for habenular synapses. Further, the
colocalization with the transporter VGlut1 in synaptic vesicles indicates that
Gpr151 might be translocated from the synaptic vesicles to the plasma membrane
when habenular neurons are depolarized and glutamate-filled synaptic vesicles
are released. These results together with the behavioral analysis, suggest
that Gpr151 at the plasma membrane of habenular presynaptic terminals may act
as an inhibitory feedback regulator of habenula signaling. Third, analysis of
the Gpr151 signaling pathway indicates that Gpr151 couples to the Gαi/o
protein. I observed an increase of cAMP levels in the habenular terminals of
Gpr151 knockout mice. Remarkably cAMP at the habenular terminals has been
shown to modulate neurotransmitter release (Hu et al., 2012). Depletion of
presynaptic cAMP levels in medial habenular neurons led to a reduction of
protein kinase A activity and consequently to a suppression of glutamate
release (Hu et al., 2012). These data together with the behavioral analysis
suggest that increased levels of cAMP in the habenular terminals of Gpr151-KO
mice facilitate nicotine-induced neurotransmitter release. Activation of the
MHb-IPN pathway triggers an inhibitory motivational signal that limits
nicotine intake (Fowler et al., 2011; Frahm et al., 2011). Therefore I
hypothesize that increased levels of cAMP in the MHb terminals of Gpr151-KO
increases the magnitude of this inhibitory signal, leading to increased
sensitivity to nicotine-induced reinforcement responses and increased somatic
and affective signs of nicotine withdrawal. Altogether these results highlight
the importance of Gpr151 for smoking-related diseases. Current therapies for
nicotine addiction are hampered by serious side effects since they act on
nicotinic and/or dopamine targets in the mesocorticolimbic reward system. In
addition the success rate of these therapies is less than 30% (Crooks et al.,
2014). Thus alternative and more efficacious pharmacotherapies to target the
negative states of withdrawal are required. Human genetics studies have
identified several loci associated with heavy smoking and lung cancer in
relation to nicotinic acetylcholine receptors. Importantly, although α4β2 and
α7 nAChRs are the major subtypes present in the brain, genome wide association
studies (GWAS) have not linked these genes to nicotine abuse. Rather, they
have established a strong association between SNPs in the CHRNB4-A3-A5 gene
cluster and smoking dependence, indicating that α3β4α5 nAChRs, which are
mostly restricted to the MHb-IPN pathway in the CNS, are critical for
acquisition of nicotine dependence and difficulties in smoking cessation.
However because α3β4α5 receptors are also expressed in ganglia in the PNS,
antagonists of these cholinergic receptors are expected to have undesired side
effects. Therefore an ideal candidate for such therapies is Gpr151 as the
habenula-interpeduncular nucleus tract has never been previously targeted. The
studies presented here favor the hypothesis that a Gpr151 agonist would be a
very valuable therapeutic target not only for smoking cessation, as it could
decrease the magnitude of the negative states associated with nicotine
withdrawal such as anxiety, but also as a deterrent to become nicotine
dependent, since a Gpr151 agonist would decrease the sensitivity to nicotine
reward.
de
dc.description.abstract
In dieser Arbeit wurde der neue G-Protein-gekoppelte Rezeptor Gpr151, der im
Menschen- und Mäusehirn nur in Neuronen der Habenula zu finden ist, als neuer
potentieller Angriffspunkt für die Rauchentwöhnungstherapie entdeckt. Damit
bietet diese Arbeit neue Einblicke in die Biologie und die Funktion dieses
spezifischen, neuronalen Zelltyps und von Gpr151. Als Grundlage für diese
Arbeit dienen erstens Befunde welcher der Habenula Schlüsselfunktionen im
Nikotinkonsum sowie Nikotinentzug zuweisen (Frahm et al., 2011; Görlich et
al., 2013; Slimak et al., 2014), und zweitens Befunde aus vergleichenden TRAP-
Analysen (Görlich et al., 2013), die Gpr151 als hoch prominent und spezifisch
in cholinergen Neuronen der medialen Habenula ausweisen. Drei Hauptaussagen
können aus dieser Arbeit getroffen werden: Erstens: Gpr151 ist ausschließlich
in axonalen Projektionen der Habenula zu finden und spielt dort eine
Schlüsselrolle in der Regulation von Nikotinabhängigkeit und Nikotinentzug.
Gpr151 exprimierende Neurone der medialen und lateralen Habenula projizieren
hauptsächlich zum interpeduncular nucleus (IPN), dem rostromedialen tegmental
nucleus (RMTg) und den raphe Kernen. Verhalten, das mit Nikotinkosum in Bezug
gesetzt wird, ist durch den MHb-IPN Signalweg, Vermeidungsverhalten durch den
RMTg, und Serotonin-Ausschüttung von den raphe Kernen moduliert. Dies lässt
vermuten, dass Gpr151 unter anderem Nikotinabhängigkeit, bestärkendes Lernen,
Schmerz, Stress und depressives Verhalten beeinflusst. In dieser Arbeit konnte
ich zeigen, dass eine Gpr151 Gendeletion oder eine shRNA-vermittelte
Expressionsreduktion, die Sensitivität von Nikotin-konditioniertem
Belohnungsverhalten erhöht. Zudem induziert die Gendeletion von Gpr151 in
Mäusen ein Angst-ähnliches Verhalten sowie eine erhöhte Zahl an somatischen
Symptomen im Nikotinentzug woraus zu schließen ist, dass die Gpr151 Expression
in Terminalen der Habenula physische und somatische Entzugserscheinungen
vermindert. Zweitens: Mit elektronenmikroskopischen Aufnahmen konnte ich
zeigen, dass Gpr151 im IPN in Axonterminalen der Habenula vor allem an der
Plasmamembran der aktiven Zone sowie vereinzelt an synaptische Vesikel
assoziiert ist. Da diese Ergebnisse Gpr151 klar als neue präsynaptische
Komponente in der aktiven Zone der habenula Terminalen zeigt, sind sie von
besonderer Bedeutung, Da meine Ergebnisse zudem eine Kolokalisation von Gpr151
mit dem vesikulärem Glutamat Transporter VGlut1 in synaptischen Vesikeln
zeigt, vermute ich, dass Gpr151 durch Depolarisation von Habenulaneuronen und
folgender Glutamatausschüttung in die Plasmamembran eingebracht wird. Dies
lässt zusammen mit meinen Verhaltensexperimenten vermuten, dass Gpr151 an der
präsynaptischen Membran die Habenula-IPN Signalübertragung reguliert.
Drittens: Meine Analysen deuten darauf hin, das Gpr151 mit dem Gαi Protein
gekoppelt ist. In habenula Terminalen von Gpr151 knockout (KO) Mäusen konnte
ich eine Erhöhung des cAMP Levels erkennen. Ein verringerter cAMP Spiegel in
präsynaptischen Terminalen der medialen Habenula führt zu einer Reduktion der
Proteinkinase A Aktivität und folglich zu einer verminderten
Glutamatausschüttung (Hu et al., 2012). Zusammen mit meinen
Verhaltensexperimenten deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass ein erhöhter
cAMP Level in habenula Terminalen von Gpr151-KO Tieren die nikotin-induzierte
Neurotransmitterfreisetzung erhöht. Durch Aktivierung des MHb-IPN Trakts wird
die Nikotin-Einnahme auf Grund Demotivation reduziert (Fowler et al., 2011;
Frahm et al., 2011). Ich vermute daher, dass der erhöhte cAMP Level in MHb
Terminalen von Gpr151-KO Mäusen inhibitorische Signale potenziert, somit die
Reaktion auf Nikotin verstärkt und zu erhöhten somatischen und affektiven
Signalen des Nikotinentzugs führt. Zusammengefasst unterstreichen meine
Ergebnisse die wichtige Bedeutung von Gpr151 für durch Rauchen verursachte
Krankheiten. Da derzeitige Therapien zur Rauchentwöhnung an nikotinergen
und/oder dopaminergen Rezeptoren im mesocorticolimbischen System agieren,
bedingen sie schwerwiegende Nebenwirkungen und sind daher unbefriedigend.
Hinzu kommt, dass weniger als 30% der derzeitigen Therapien erfolgreich sind
(Crooks et al., 2014). Alternative, effektivere pharmakologische Therapien mit
reduzierten Nebenwirkungen sind notwendig. Humane Genanalysen haben starkes
Rauchen und das Risiko an Lungenkrebs zu erkranken mit nikotinergen
Acetylcholin Rezeptoren (nAChR) in Verbindung gebracht. Obwohl α4β2 und α7
nAChRs die Haupt-Rezeptoruntereinheiten des CNS sind, konnten sie in
genomweiten Assoziationsstudien (GWAS) nicht mit Nikotinmissbrauch in
Verbindung gesetzt werden. Nikotinabhängigkeit wurde vielmehr mit SNPs im
CHRNB4-A3-A5 Gen-Cluster und damit mit α3β4α5 nAChRs welche vor allem im MHb-
IPN Trakt im CNS vorkommen, assoziiert. Da α3β4α5 nAChRs auch in Ganglien des
PNS exprimiert sind, ist zu vermuten, dass Antagonisten gegen diesen Rezeptor
unerwünschte Nebeneffekte mit sich bringen. Die hier dargelegten Ergebnisse
favorisieren die Hypothese, dass ein Gpr151 Agonist eine sehr nützliche
Alternative zu derzeitig praktizierten Rauchentwöhnungstherapien seien kann.
Da Gpr151 zudem die belohnenden Effekte von Nikotin verringert, ist ein
Agonist auch als Präventionsmittel zur Nikotinabhängigkeit denkbar.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
G protein-coupled receptor
dc.subject
interpeduncular nucleus
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::571 Physiologie und verwandte Themen
dc.title
Identification of a novel synaptic G protein-coupled receptor controlling
nicotine dependence and withdrawal
dc.contributor.contact
bantolin@rockefeller.edu
dc.contributor.firstReferee
Dr. Inés Ibañez-Tallon
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Constance Scharff
dc.date.accepted
2014-06-18
dc.date.embargoEnd
2015-09-06
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000097362-4
dc.title.translated
Identifizierung eines neuen synaptischen G-Protein gekoppelten Rezeptors, der
Nikotin-Abhängigkeit und Entzug kontrolliert
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000097362
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