Implication de GSK3B et sa signalisation dans la modulation du comportement : identification de modulateurs et de cibles

Imp

l

ica

t

ion

de

GSK3

β

e

t

sa

s

igna

l

isa

t

ion

dans

la

modu

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temen

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GSK3

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ib

les

Thèse

Cam

i

l

le

La

tapy

Sous

la

d

i

rec

t

ion

de

:

Résumé

À l’heure actuelle, il est estimé qu’une personne sur quatre souffrira personnellement d’un trouble de santé mentale au cours de sa vie. Lestraitements existants agissent surles voies de signalisation des monoamines telles que la dopamine et la sérotonine et ce, à différents niveaux. Les voies designalisationainsiciblées détiennentcomme pointcommunleur capacitéà modulerla glycogènesynthase kinase 3(GSK3). Cette kinaseestaussi bien associée au mode d’action des composés pharmacologiques qu’àl’étiologie même des maladies mentales.

Cependant, même si des mécanismes régulateurs de cette kinase et des cibles sont connus, de nombreuses zones de méconnaissance persistent. Parmi les points nécessitant un aprofondissement des connaissances, nous avons cibléstrois pistes d'étude.

Dans un premiertemps, nous avons vouluinvestiguer plus en détailla modulation de GSK3 dépendante dela voie desinositols phosphates. Nous avons alors cherché à répondre a deux questions; Est-ce qu'une modulation directe de GSK3 est observée? Est ce que cette modulationreproduitles paradigmes comportementaux del'inhibition de GSK3? Cette étude nousaalors permis de mettreenévidence uneinteraction directeentre GSK3et l'IP6K1 dans des modèles cellulaires et animaux. De plus, dansle contexte d'animaux IP6K1-KO, la modulation de GSK3 dépendante de la voie des inositols semble reproduire deseffetscomportementauxassociésclassiquementàl'inhibition de GSK3,àsavoir une diminution delalocomotion et dela sociabilité.

Dans unesecondeétude, nousavonscherchéàentrevoirsi une dépendancerégionale de l'inhibition deGSK3β était associable avec des modulations de comportements spécifiques. Nous avons donc utilisé un modèle murin FloxGSK3β /CamKIIcre caractérisé comme modèle de délétion totale postnatale de cette isoforme dans le cerveau antérieur (cortex et CA1). L'analyse histologique des cerveaux de ces animaux nous a permis dans un premier de valider le modèle choisi. Par la suite, l'analyse comportementale de ces animaux nous a révélée quela modulation des comportementslocomoteurs et pseudo-dépressifs étaient indépendants del'expression deGSK3β au niveau du cerveau antérieur, par opposition àla modulation des comportements anxieux et sociaux. De plus, la modulation de la résilience

dépendante de GSK3β pourraient détenir une composante corticale mais des travaux supplémentaires sont nécessaires avant de confirmer cette hypothèse.

Enfin, la troisième étude nous a révélée l'existence d'une nouvelle cible de GSK3β impliquée dans la réponse aux traitements pharmacologiques et la modulation du comportement GSK3β-dépendante. Cette protéine, FXR1P,est montréecomme unecible phosphorylable de GSK3β. Ses niveaux d'expressionsontcorrélésavecl'activité decette kinase, que ce soit dans des modèles cellulaires ou murins. De plus, lestraitements pharmacologiques modulant GSK3, comme la surexpression directe de FXR1P, reproduisent des paradigmes comportementaux GSK3β-dépendants. De plus, des polymorphismes dansles promoteurs de FXR1P et GSK3β ont montré une association avec la stabilité émotionnelle d'individus humains. Ces données sont autant de faitsappuyantle rôle potentiel de cette protéine nouvellementidentifiée dansla signalisation de GSK3 modulantle comportement.

Abstract

Nowadays,itis estimated that one out of four people will suffer from mentalillnessissues at some point during their life. The existing therapeuticstrategies act at different levels on monoaminergic signaling, especially on those pathways engaging dopamine and serotonin. These signaling pathways share the ability to modulate a kinase called Glycogen Synthase Kinase 3, or GSK3. This proteinis implicatedinthe action oftherapeutic agents as well as inthe aetiology ofthe diseaseitself.

However, even if some targets and molecular mechanisms regulating GSK3 are characterized, many aspects still remain unclear. Among points necessitating clarification, we have setthree research aims.

First ofall, we havestudied more deeplytheinteraction betweentheinositol phosphate pathwayand GSK3signaling. Thus, we have posedtwo main questions;istherea direct modulation of the GSK3 pathway depending on inositol phosphates? And if so, does this modulation reproduce behavioral consequences of GSK3inhibition? This study allowed us toshow a directinteraction betweenIP6K1 and GSK3in cellular and animal models. Moreover, using IP6K1-KO animals, we showed that IP6K1-mediated modulation of GSK3 reproduces behavioral outcomes classically associated with GSK3inhibition: a reduction oflocomotion and sociability.

Inthe second study, we havelookedif alink betweenregional GSK3 inhibition and modulation ofspecific behaviorsexists. Weemployedthe FloxGSK3β/CamKIIcre mice model, considered as a total and postnatal deletion of this isoform in the forebrain (cortex and CA1). Histologicalanalysis of brainsfirstallowed usto validatethe model. Then, behavioral characterization of this line revealed that, in contrast to anxiety and sociability, locomotion and depressive-like behavior are independent of forebrain GSK3β expression. Furthermore,theimplication of cortical GSK3β inthe modulation of resilience was not yet fully established and furtherinvestigationis warranted.

Finally, the third study revealed FXR1P as a new target of GSK3β signaling implicated in behavior and response to pharmacological treatments. Interestingly, FXR1 protein is phosphorylated by GSK3 andits relative expressionlevels are correlated with GSK3 activityin bothcellularandanimal models. Moreover,treatments modulating GSK3and

overexpression of FXR1Preproduce behavioral outcomes known as GSK3β-dependant. Finally, polymorphismsin GSK3β and FXR1 promoters are associated with emotional stabilityin humans. Thesefindings highlysuggestthe potentialrole of FXR1Pin GSK3 pathways affecting mood and behavior.

Tab

le

des

mat

ières

Résumé ...III


Abstract ...V


Table des matières ...VII


Liste destableaux ...XII


Liste desfigures ...XIII


Liste des abréviations et des sigles ...XIV


Remerciements ...XVII


Avant propos ...XIX


I.
Introduction...1


A.
Maladies mentales ...1


1.
Historique et évolution des dogmes et dela neuropharmacologiejusqu’à nosjours ...1


a)
Évolution
des
pensées
...
1


b)
Évolution
des
traitements
...
2


(1)
Les
premières
formes
de
thérapie
...
2


(2)
Arrivée
des
composés
pharmacologiques
...
2


(3)
Nouveaux
enjeux
pour
la
recherche
...
3


2.
Dela pathologie humaine au modèle animal ...4


a)
Avantages
des
modèles
animaux
...
4


b)
Un
modèle
imparfait
...
4


c)
Outils
et
limites
intrinsèques
...
6


3.
Maladies mentales et hypothèses monoaminergique ...8


a)
Hypothèse
dopaminergique
...
8


(1)
Déterminisme
génétique
...
8


(2)
Une
hypothèse
provenant
initialement
de
la
pharmacologie
...
9


(3)
Un
neurotransmetteur
pour
différentes
conséquences
...
10


(4)
Évolution
des
pensées
et
avenir
thérapeutique
...
11


b)
Hypothèse
sérotoninergique
...
12


(1)
Déterminisme
génétique
...
12


(2)
Évidences
pharmacologiques
de
l’implication
de
la
sérotonine
...
14


(3)
Augmenter
le
5‐HT
pour
traiter
...
14


a)
Une
signalisation
des
monoamines
dépendante
des
RCPGs
...
15


b)
Structure
et
rôle
senseur
...
15


c)
Activation
et
signalisation
G
dépendante
...
16


d)
Activation
indépendante
des
protéines
G
...
18


e)
La
génération
d’une
réponse
globale
et
complexe
...
19


5.
Signalisation convergente vers AKT ...20


a)
AKT
comme
intermédiaire
de
la
signalisation
des
RCPGs
et
monoamines
...
20


b)
Une
compétition
entre
différentes
voies
de
signalisation
pour
moduler
AKT
...
22


c)
AKT,
un
intermédiaire
essentiel
dans
l’étiologie
des
maladies
mentales
et
leur
 traitement
...
24


B.
GSK3 ...25


1.
Généralités ...25


a)
Découverte
...
25


b)
Isoformes
...
25


c)
Structure
et
régulation
...
26


d)
Inhibiteurs
pharmacologiques
de
GSK3
...
29


(1)
Éléments
chimiques
...
29


(2)
Inhibiteurs
naturels
...
30


e)
Expression
...
31


2.
GSK3 comme cible moléculaire des composés psychoactifs ...32


a)
GSK3
et
modulation
dopaminergique
...
32


(1)
Lithium
...
32


(2)
Modèles
animaux
et
drogues
...
33


b)
GSK3
et
modulation
sérotoninergique
...
34


3.
Modulation globale de GSK3 et modulation du comportement ...35


a)
Vers
une
suractivation
de
GSK3
pour
mimer
les
pathologies
...
36


(1)
Modèles
d’activation
pharmacologique
et
comportement
...
36


(2)
Modèles
d’activation
constitutive
...
37


(3)
Modèle
de
surexpression
...
38


b)
Inhibition
pharmacologique
de
GSK3
et
mimétisme
des
effets
thérapeutiques
...
39


(1)
Lithium
...
39


(2)
TDZD‐8
...
40


(1)
Haplo‐insuffisance
de
GSK3ß
et
mimétisme
du
traitement
avec
des
inhibiteurs
de
 GSK3
41


(2)
Inhibition
de
GSK3
et
restauration
de
paradigmes
comportementaux
...
42


(a)
Modèle
de
déplétion
en
sérotonine
...
42


(b)
Inhibition
de
GSK3
et
syndrome
du
X
fragile
...
43


d)
Modèle
de
délétion
de
GSK3α
...
43


4.
Modulationtissus-spécifique de GSK3 et modulation du comportement ...45


a)
Surexpression
conditionnelle
par
structure
cérébrale
...
45


(1)
Modification
génétique
et
induction
par
la
tétracycline
...
45


(2)
Induction
virale
par
lentivirus
...
46


(3)
Induction
via
un
virus
de
type
Herpès
simplex
...
46


b)
Modulation
par
type
cellulaire
...
47


(1)
GSK3β
dans
les
neurones
D1
ou
D2
...
47


(2)
Inactivation
de
GSK3ß
dans
les
neurones
sérotoninergiques
...
47


(3)
Inactivation
lentivirale
de
GSK3ß
...
48


5.
Fonctions neuronales de GSK3 et cognition ...49


a)
GSK3
et
plasticité
synaptique
...
49


b)
GSK3,
neurogénèse
et
neuroprotection
...
51


c)
GSK3
et
neuroinflammation
...
51


C.
Hypothèses detravail ...52


II.
Chapitre 1 : L’inositol hexakisphosphate kinase 1régulelesréponses comportementales viala signalisation de GSK3 ...56


A.
Acknowledgements ...58
 B.
Abstract ...59
 C.
Introduction...60
 D.
Material and methods ...62
 1.
Materials ...62
 2.
Methods ...63
 3.
Behavioraltests ...65


4.
Statistical analysis ...67


E.
Results ...68


1.
IP6K1 physiologically binds GSK3 kinase...68


2.
IP6K1 stimulates GSK3 kinase catalytic activity...68


4.
IP6K1 deletionimpactslocomotor behavior...70


5.
IP6K1 deletion disrupts social behavior ...71


F.
Discussion ...72


G.
References ...76


H.
Figures ...83


III.
Chapitre 2 : La délétion spécifique de GSK3ß au niveau du cortex et du CA1révèle sonrôle central dans la modulation du comportement anxieux et social...90


A.
Ackowledgements ...92
 B.
Abstract ...93
 C.
Introduction...94
 D.
Materials and methods ...98
 1.
Materials ...98
 2.
Methods ...98


3.
Behaviouraltests ...101


4.
Statistical analyses ...103


E.
Results ...104


1.
Characterization of GSK3ß expressionin CamKIIcre-GSK3βflox mice...104


2.
Effects offorebrain GSK3ßinactivation on dopamine mediatedlocomotion ...105


3.
Effects offorebrain GSK3ßinactivation on dopamine mediatedlocomotion ...106


4.
Involvement offorebrain GSK3ßintheregulation of anxiety...106


5.
Involvement offorebrain GSK3ßin social behavior...108


F.
Discussion ...110


G.
References ...114


H.
Figures ...123


IV.
Chapitre 3 : La protéine FXR1 est un substrat de GSK3ß quirégulel’humeur etl’émotivité...131


A.
Abstract ...133


B.
Significance ...134


C.
Introduction...135


D.
Results ...138


1.
Different behavioral outcomesfrom VAL10 and VAL25treatments with comparableinhibitory effect on GSK3ß ...138


2.
Behavioral effects of VAL 10treatment correlate withincreased FXR1Plevels ...139


3.
High dose chronic valproatetreatment elicitsinhibition of ERK2 ...140


5.
Priming ofthe FXR1P by ERK2favorsits phosphorylation andregulation by GSK3ß ...142


6.
FXR1P overexpressionreplicates behavioral effects of valproate and GSK3ßinhibition ...144


7.
FXR1 gene polymorphismrs496250is associated with mRNA expressionin post mortem human brain ...145


8.
Interaction betweenGSK3B and FXR1 predicts amygdala activity during processing offacial expressions ...145


9.
Interaction betweenGSK3B and FXR1 predicts scores of“emotional stability” withinthe Big Five Factor Questionnaire(BFQ) ...146


E.
Discussion ...148


F.
Methods ...151


G.
Acknowledgement ...152


H.
References ...153


I.
Figures ...158


J.
SupportingInformation(SI) ...166


1.
SI Methods ...166


2.
SI Figures andtable ...176


V.
Discussion générale ...184


A.
Interconnections des voies de signalisation...184


B.
Une dépendancerégionale,importance du cortex préfrontal ...186


C.
Comportement et cortex préfrontal : structure ou biochimie?...188


D.
Cibles de GSK3 ...191


1.
GSK3 et modulation del’ARN ...191


a)
GSK3
et
FXR1
...
191


b)
GSK3
et
mTOR
...
192


2.
GSK3 et modulation delatranscription ...192


a)
GSK3
et
CREB
...
192


b)
GSK3
et
β‐caténine
...
193


c)
GSK3
et
NFκB
...
194


d)
GSK3
et
CLOCK
:
BMAL1
...
195


3.
GSK3 et modulation dutransport axonal ...196


VI.
Conclusion ...198


L

iste

des

tab

leaux

Table 1 :Inhibiteurs de GSK3...30


Table 2 : Récapitulatif des principaux modèles murins de modulation de GSK3 etleurs conséquences comportementales. ...49


L

iste

des

f

igures

Figure 1: Représentationillustrée d'une synapse dopaminergique...9


Figure 2: Représentation comparative des deux classes derécepteurs àla dopamine. ...10


Figure 3: Représentationillustrée d'une synapse sérotoninergique...12


Figure 4 : Couplage desrécepteurs dopaminergiques et sérotoninergiques. ...17


Figure 5 : Signalisationindépendante des protéines G...19


Figure 6 : Activation de AKT parla voie dela PI3K...21


Figure 7 : Modulation del’activité dela kinase AKT enréponse àla stimulation desrécepteurs D2...22


Figure 8 : Modulation de AKT parla voie desinositols phosphates et dela PDK1...23


Figure 9 : Représentation dela structuretridimensionnelle de GSK3ß...27


Figure 10 :Inactivation de GSK3 parphosphorylation en sesrésidus Ser9/21. ...28
 


L

iste

des

abrév

iat

ions

et

des

s

ig

les

4EBP: Protéine seliant àl’eIF4E ou eIF4E binding protein 5-HT-2A: Récepteur àl’hydroxytryptamine detype 2A 5HIAA: Acide 5-Hydroxy-Indole-Acétique

5HT: 5-hydroxytryptamine ou sérotonine

5HT1: Récepteur àl’hydroxytryptamine detype 1 5HT3: Récepteur àl’hydroxytryptamine detype 3 5HTP: 5 hydroxytryptophane

AC: Adenylate Cyclase

AMPA: Acide α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionique AMPc: Adénosine monophosphate cyclique

AP1: Protéine activatrice 1 AP2: Protéine activatrice 2

APC: Polypose colique adénomateuse ARN: Acide ribonucléique

ATP: Adénosinetriphosphate ßarr: Beta-arrestine

BCL-2: Lymphome à cellule B

BDNF: Facteur neurotrophique dérivé du cerveau

BMAL1: Brain and muscle aryl hydrocarbon receptor nucleartranslocator (ARNT)-like CA: Corne d’ammon

CDK: Kinase dépendante des cyclines

CLOCK: Circadianlocomotor output cycles kaput COMT: Catechol-O-methyltransférase

CRE: Élement de réponse àl’AMPc CRY: Cryptochrome

D1: Dopamine detype 1

D1R: Récepteur àla dopamine detype 1 D2: Dopamine 2

D2R: Récepteur àla dopamine detype 2 D3R: Récepteur àla dopamine detype 3

D4R: Récepteur àla dopamine detype 4 D5R: Récepteur àla dopamine detype 5 DA: Dopamine

DAG: Diacylglycerol

DAT: Transpoteur dela dopamine DDC: Dopa décarboxylase

DISC1: Disruptedin schizophrenia 1 DOPA:3,4-dihydroxyphénylalanine

ERK: Kinases régulées par des signaux extracellulaires FMRP: protéine du retard mental du X fragile

FX: X fragile

FXR1 (P): Protéine associée au X fragile GDP: Guanosine diphosphate

GRK: Kinase couplée aux récepteurs à protéine G GSK3: Glycogène synthasekinase 3

GTP: Guanosinetriphosphate HMK: Halomethylketone HSP: Protéine de chocthermique

IMAO: Inhibiteurs des monoamines-oxydases IP3: Inositoltriphosphate

IP6K1: Inositol hexakisphophate 1 IP: Inositol phosphate

KI: Knock-in

LEF1: facteur d’activationdeslymphoïdes 1 LTD: Dépression àlongterme

LTP: Potentialisation àlongterme MAOA: Monoamine oxidase A

mTOR: Cible dela rapamycine chezles mammifères NFκB: Facteur nucléaire-Kappa B

NMDA: Acide N-méthyl-D-aspartique

PER: Période

PH: Holologue àla pleckstrine PI3K: Phosphoinositide 3 kinase

PIP2: Phosphatidylinositol-4,5-diphosphate PIP3: Phosphatidylinositol-3,4,5-triphosphate PKA: Protéine kinase A

PKB: Protéine kinase B PKC: Protéine kinase C PLC: Phospholipase C PP1: Protéine phosphatase 1 PP2A: protéine phosphatase 2A Ppi: Anion pyrophosphate

PYK2: protéinetyrosine kinase 2

RCPG: Récepteurs couplés aux protéines G S6k: S6 kinase

Ser: Sérine

SERT: Transporteur àla sérotonine

sh ARN: Acide ribonucléique en épingle à cheveux SI: Information supplémentaire

Tau: Unité associée auxtubules TCF: Facteur des cellules T TH: Tyrosine hydroxylase

TNFα:Facteur de nécrosetumorale alpha TPH1 (ou 2): Tryptophane hydroxylase 1 (ou 2) TSC:Tuberous sclerosis protein

V-MAT (2): Transporteur vésiculaire des monoamines (detype 2) Wnt: Winglessintegration site

WT: Type sauvage

Remerc

iements

Je remercie tout d'abord le Docteur Jean-Martin Beaulieu pour m'avoir accueilli dans son laboratoire et pour avoir cru en mon potentiel. Bien que mon cursus académique n'était pas prédestiné à une formation en neurosciences,il m'a fait confiance et permis de découvrir ce merveilleux domaine de recherche, dans toute sa complexité. Son accueil au sein de son équipe a cependant dépassé le cadre scientifique. Il m'a effectivement permis de concrétiser ce rêve transatlantique oùj'ai eu lachance detrouver uneéquipe d'accueilexceptionnelle et brillante.Je tiens aussi àle remercier pourtousles échanges scientifiques et non scientifiques que nous avons pu avoiraucours decesannées.Jeluisouhaiteainsile plus grandsuccès dansla poursuite deces projetsscientifiques, maiségalementartistiques. Un grand merciàcechercheur, photographeet homme qui se définit selon moi en un mot :Passionné (dansles côtés positifs comme négatifs!). Je remercie égalementles Docteurs Matthieu Guitton et Emmanuel Planel pour avoir accepté de me suivretoutaulong de moncursus. Vosconseilsetremarquestoutaulong de noséchanges ont toujours été d'une grande aide et m'ont beaucoup apporté. Je tiens à apporter une mention spéciale pour Matthieu qui a eu la gentillesse et la patience de m'enseigner différentestechniques d'analyse comportementale. Merci pour cette expertise sanslaquelle mathèse ne serait pas ce qu'elle est. Je ne pourraicependant pas parler de Matthieusans parler desconversations que nousavons puavoir. Elles sont toujoursintéressantes,très souventimprobableset parfoisinterminables. Merci pourtout. Vient maintenant le temps de remercier tous mes collègues. Qu'ils fassent ou ont fait parti de notre équipe ou non,j'ai bénéficié d'un cadre detravailidéal. La diversité et accessibilité desavoir scientifique dont fait preuve notre centre de recherche est inestimable. De plus, la grande diversité culturelle etl'ouverture d'esprit de mes collègues ont grandement aidé mon épanouissement au cours de mathèse. Ainsi, merci àtous pour ce cadre detravail en or.

Je remercierai particulièrement les membres de notre laboratoire. Au cours des années, j'ai rencontré de merveilleux êtres humains et scientifiques en devenir. J'aurai ici une pensée particulière pour Nathalie, Claude et Annie qui onttoujours su se montrer présents, bienveillants et d'uneaide précieuse.Jeremercieégalementtouslesétudiants qui ontcroisélechemin de notre laboratoire. Que vous ayez continué votre route ou soyez encore dans le train, ce fut un réel plaisir de partager pendant quelquessemaines, mois ouannées votre quotidien. Vousavezsu maintenir cette belleambiancescientifiqueetfestive danslelaboratoire,et je necrains pas pourlasuite comptetenu de larelève!Je ne peux nommertousces étudiants, maistous ontindividuellement contribuéau bien-être du groupe, merci pourtout.Jeferai néanmoins une mentionspéciale pour

Adeline et Stella carj'aitrouvé en elles de véritables amies. Je vous souhaite àtous ettoutes,toutle bonheur du monde.

Merci également au personnel del'animalerie sans qui rien n'aurait été possible.

Jeremercieégalementtous mesamisrestésen France ourencontrésau Québec,sans vousla vie serait bien fade! Votre soutien, vos conseils, vos mots d'humour ettoutesles pintespartagées m'ont permis d'arriver jusque ici aujourd'hui et m'y sentir bien. Vous êtes ma famille de cœur. J'ai trouvé en vous des grands frères bienveillants, des grandes sœurs réconfortantes, des cousins et cousines délirants, et des petites sœurs bientannantes. Je suis plus qu'honorée de faire partie de cette famille, cette tribu, cette secte qu'estla COSA.

Je remercie également ma famille de sang :ma grand-mère, ma mère et ma sœur pour leur soutien et leurs encouragements. Je les remercie d'avoir compris et accepté mon choix de partir vivre loin d'elles afin de vivre cette merveilleuse expérience.

Je vais alors achever cesremerciements enremerciantlejury entant qu'entité. Merci d’avoir accepté de venir avec moi tourner la page de cette aventure. La transition est alors faite pour vous souhaiter une bonnelecture de cettethèse d'un styletypiquement franco-français. Et oui, bien quele Québecsoit devenu mon''pays'' d'adoption,je ne pouvais pas merésoudreà oublier mesracines dans un document aussi symbolique que celui-ci.

Avant

propos

Lestravaux effectués dansle cadre de mon cursus en neurobiologie àl’université Laval ont étéréalisésau Centre derecherche del’institut universitaireensanté mentale de Québec (CRIUSMQ). Parmiles projets expérimentaux menés,trois ont abouti àla publication d’articles scientifiques révisés par des pairs.

La présentethèse est écrite sous forme d’insertion d’articles, présentés dansles chapitres 1 à 3. Ces articles onttous été publiés et sont désormais disponibles enligne.

Chapitre 1:Inositol hexakisphosphate kinase-1regulates behavioralresponses via GSK3 signaling pathways.

A. Chakraborty, C. Latapy, J. Xu, J.M. Beaulieu, S.H.Snyder

Cette étude a été acceptée pour publicationle 2janvier 2013 et a été disponible enligne dès le 26 février suivant. Elle émane d’une collaboration entrel’équipe du Dr Solomon Snyder (UniversitéJohns Hopkins, Baltimore, MD) et du DrJean-Martin Beaulieu(Université Laval, Québec, QC). Mon apport a été de caractériser le comportement des animaux issus de la lignée murine IP6K1 knockout. A Chakraborty et J. Xu ont complété l’aspect moléculaire decetarticle,j’ai pour ma parteffectuél’intégralité desexpérimentations in vivo présentées. Chaque participant de l’étude a effectué un travail d’analyse, représentation graphique, d’écritureet decritiqueassociéàl’expérimentation menée. La mise en commun des données, mise en forme dela version définitive et sa révision complète a été effectuée de conjoint. Ce m’a mené à une position de copremier auteur de cet article.

Chapitre 2: Selective deletion offorebrain glycogensynthase kinase 3β revealsacentral rolein serotonin-sensitive anxiety and social behaviour.

C. Latapy, V. Rioux, M.J. Guitton, J.M. Beaulieu

Cette étude, publiée le 23 juillet 2012, a été entièrement réalisée au sein du laboratoire du Dr Beaulieu. Le Dr Guitton m’a quantàluiforméet guidé dans monapprentissage de l’évaluation du comportement social des animaux. La première immunohistochimie présentée dansl’article a été effectuée par Véronique Rioux, étudiante àla maitrise. Hormis cetteimage,l’intégralité des résultats présentés provient de mestravaux. J’ai également pu

effectuerla mise en graphique,les analyses statistiques des résultats obtenus et mené à bien le développement d’une nouvelle méthode pourl’évaluation dela mémoiresociale des animaux. Larédaction du manuscritaétéeffectuée par Martin Beaulieueten moindre mesure moi-même. J’ai cependant activement participé àla correction des épreuves suite à leur réception et au processus de finalisation.

Chapitre 3: FXR1Pis a GSK3β substrate regulating mood and emotion processing.

T. Del’Guidice, C. Latapy, A. Rampino, J. Khlghatyan, M. Lemasson, B. Gelao, T. Quarto, G. Rizzo, A. Barbeau, C. Lamarre, A. Bertolino, G. Blasi, and J.M. Beaulieu. Cette étude a été possible grâce à une collaboration mise en place entre notrelaboratoire et lelaboratoire du Dr Blasi, basé àl’université de Bari en Italie. Les membres del’équipe du Dr Blasi (A. Rampino, B. Gelao, T. Quarto, G. Rizzo et A. Bertolino) ont permis d’apporter les évidences humaines d’unlien entre GSK3 et FXR1. Notre équipe a quant à elle apporté lesévidences decetterégulation dans des modèlesanimaux,cellulaireset biochimiques. Ma contribution dans cette étude a été apportée à différents niveaux, justifiant ma position de deuxièmeauteur. Les prémisses decetteétude proviennent d’une observationfaiteau cours mestravauxannexes. Eneffet, une hausse du niveau d’expression de FXR1aété observée danslalignée murine présentant une délétioncorticale de GSK3ß. Suiteàcette observation présente en figure 2, T. Del’Guidice, alors étudiant au doctorat, a alors mis en évidenceles différences d’expression de cette protéine en réponse à différentstraitements et dans divers modèles murins ainsi que des aspects biochimiques de cette régulationin vivo. De plus,j’ai également fournil’évidence quela délétion spécifique de GSK3ß au niveau du cortexfrontal desanimaux mimaitlecomportementanxiolytiqueinduit par untraitement au valproate. Le dernieraspectin vivo présenté parimmunohistochimiea quantàluiété obtenu par J. Khlghatyan. Parallèlement,les études de phosphorylation par essai kinase ont été conduites par J.M. Beaulieu, C. Lamarre et moi même. Ces derniers ont mis en placele protocole et démontré la nécessité de l’amorçage par ERK. Par la suite, j’ai pu générer les différentes formes mutées de FXR1 (mutants simples,triples et forme dépourvue de site de phosphorylation). La création desformes mutées simples m’a alors amené à effectuer l’essai kinase associé. De plus, j’ai pu utiliser les formes portant les triples mutations et le mutanttotal afin d’évaluerles niveaux d’expressionrelatifs dans un modèle cellulaire.

L’analyse desévènements présentsen modèlescellulairesaégalementété menée par A. Barbeau, T. Del’Guidice et M. Lemasson. Alors que chaque participant a effectuéles représentations graphiquesetanalysesstatistiquesassociéesàleur participation,lestrois principaux acteurs de l’écriture du manuscrit ont été J.M. Beaulieu, T. Del’Guidice et M. Lemasson. Les coauteurs additionnels ont cependant activement participé à la relecture et correction du manuscrit.

I

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Introduct

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1. Historique et évolution des dogmes et dela neuropharmacologiejusqu’à nos jours

a) Évolution des pensées

Les premières descriptions connues du cerveau et des maladies mentalesremontent au temps de l’ancienne Égypte. Tout comme les Grecs plusieurs siècles plus tard, les Égyptiens de l’ère antique cherchèrent des explications rationnelles aux maladies mentales (Fencz 2001). De manièresurprenante,et malgrélacoexistence de nombreusesthéories, desrécitsrelatentlelien directentrelafolieetlaconditioncérébrale (Fencz 2001). Le savoir accumulé jusqu’alors fut malheureusement perdu avec l’arrivée du christianisme au profit dethéories d’origine divines.Ilfaudra alors attendrelafin du moyen âge etla renaissance pour avoir une réhabilitation des auteurs antiques et une remise en question des dogmes religieux. La démystification des maladies mentales et la nature héréditaire de ces dernièresfût miseenavant parle médecin Thomas Willis(1621-1675) dansson ouvrage De anima brutorum contenant cette citation: ‘’les fous engendrent des fous’’. Une considération médicale commençât alors à émerger dans certainsilots d’Europe,mais ce ne sera qu’au XXe siècle que la condition des patients évoluera avec le développement de la psychiatrie et desthéories cognitivo comportementales (Parent 2009;Bourgerol 2010). La psychiatrie moderne prit quant à elle son essor à partir des années 1950 avecla découverte de plusieurs concepts de neurosciences tels que le fonctionnement d’une synapse,l’existence de neurotransmetteurs ainsi quela présence derécepteurs dansle système nerveuxcentral. Parallèlement,la découverte ducode génétique,lesavancéesen biologie moléculaire et l’émergence de nombreuses techniques telles que l’électroencéphalographie vont permettre le développement de la neurobiologie. L’accumulation exponentielle des connaissances qui a eu lieu dans les dernières décennies a alors permis de poserles bases de ce qu’est de nosjoursla psychiatrie. Il en a résulté deux manuels de classification des maladies mentales :le Manuel Diagnostique et Statistique des troubles Mentaux (DSM, de l'anglais Diagnostic and Statistical Manual of Mental

Disorders) etla Classification Internationale des Maladies (CIM, en anglais:International Statistical Classification of Diseases and Related Health Problems, ICD).

b) Évolution destraitements

(1) Les premièresformes dethérapie

Dela mêmefaçon que pourl’évolution des pensées,la priseencharge des patientsa largement évoluélors dessiècles et millénaires. Effectivement,les premièrestraces de trépanations remontent à l’époque du néolithique (3500 ans avant notre ère) (Parent 2009; Bourgerol 2010). Parla suite,lesPerses préconisèrent différentstypes de procédéstels que letraitement parle scalpel,la parole oules plantes (Caire 2014). Hippocrate était également adepte dutraitement parles plantes et conseillait à ces patientsla phytothérapie, une bonne hygiène de vie,l’exerciceet un bonrégimealimentaire. Toutcomme pourles dogmes moraux,l’apogée duchristianismeentrainât unchangement de perspectiveetla guérison d’uneaffectionétait désormaisremiseaux mains du bon vouloir divin (Caire 2014). Le traitement préconisé passait alors parl’hagiothérapie, ou l’invocation d’unsaint, etles pèlerinages. Il fallut attendre le XIIe siècle avant que des traitements médicaux réapparaissent. Ceci futle retour des mises en pratique delatrépanation et dela lobotomie (Parent 2009). Six siècles plus tard, de nouvelles pratiques médicales apparaissent. S’ajoutèrent alors aux purges, saignées et lavements des traitements tels que l’hydrothérapie (ou douches froides),l’immersion magnétique,les méthodes hypnotiques et les privationssensorielles. Le XXesiècle vuégalementapparaitre de nouvellestentatives detraitement avec d’une partlestravaux en psychothérapie del’œuvre de Freud, et d’autre l’arrivée destraitements dits de ‘’thérapie de choc’’.Les chocs salutaires passaient alors par différents procédés tels que la malariathérapie, le choc insulinique et le choc convulsivant (Bourgerol 2010). De plus, certains ouvrages relatent que les patients étaient traités à base decures de bromure de potassium, barbituriques, dérivés morphiniques ou de valériane, plante oubliée depuis Hippocrate (Fencz 2001).

(2) Arrivée des composés pharmacologiques

Lesthérapies cognitivo comportementales se développèrent en période d’après-guerre, durantla deuxième moitié du XXesiècle. Une granderévolution dansle domainearriva

avecles découvertesfortuitesetsuccessives decomposés psychoactifs. Cetterévolution débuta en 1949 avec John Cade et l’arrivée du lithium, premier composé dont l’efficacité futapprouvée pourletraitement des maladies mentales (Cade 1949). Deux annéesaprès, Henri Laborit et Paul Deniker amenèrent leurs découvertes sur le potentiel de la chlorpromazine, premier antipsychotique décrit. Quelques années après, le premier antidépresseurtricycliqueconnufut découvert :l’imipramine. Parlasuite, de nombreux dérivés ouanalogues decescomposésfurentensuitetestésetapprouvés. L’arrivée des benzodiazépinestelles quela chlordiazépoxide etle diazépam évinçal’utilisation des barbituriques. Par la suite, de nombreuses autres molécules non développées dans le contexte des maladies mentales prouvèrent leur efficacité. Par exemple, le premier inhibiteur des monoamines-oxydases,l’iproniazide,étaitinitialement untraitementcontre la tuberculose et le tamoxifène. De manière analogue les stabilisateurs de l’humeur (acide valproïque et lamotrigine) étaient respectivement utilisés pour leurs actions ant i-ostrogéniques et anti-convulsivants.

(3) Nouveaux enjeux pourla recherche

La découverte du potentiel pharmacologique de ces composés et de leurs analogues désormais surle marché a ainsi constituéla plus grande avancée des derniers siècles dansle traitement des maladies mentales. Depuisla commercialisation de ces composés,le nombre de patientsinstitutionnalisésa pu grandement diminueretlaréintégrationsociale deces derniersest grandementfacilitée. Le domaine d’étudesurla neuropsychopharmacologie s’est amorcé relativement rapidement et les efforts se concentrent actuellement essentiellement surla compréhension des bases biologiques des maladies, du mode d’action descomposés disponibles, maiségalementl’amélioration delafiabilitéet delatolérance destraitements. Poursefaire,larechercheensanté mentalea développée de nombreux modèles d’étude et stratégies pour arriver à investiguer les liens existants entre la neurobiologie etla modulation du comportement.

2. Dela pathologie humaine au modèle animal

a) Avantages des modèles animaux

De nombreuses études ont permis de mettre en évidence l’existence de facteurs de risque pour le développement de troubles psychiatriques (Cannon, Jones et al. 2002; Buka, Cannon et al. 2008; Khashan, McNamee et al. 2011; Varese, Smeets et al. 2012; Lindert, von Ehrensteinetal. 2014). Ces dernierssesontavérésêtre d’ordre génétiquecomme environnemental avec de possibles interactions interfactorielles. Néanmoins, ces associations et corrélations ne peuvent quetrès rarement être biologiquement vérifiées chez l’humain. Les modèles animaux interviennent alors afin de valider les hypothèses formulées et permettent également de spéculer ettester de nouveaux paradigmes.

En dehors dela praticité quereprésententles modèles animaux murins entermes de production de cohortes,ils permettent d’accomplir un suivitemporel souvent difficile avec des populations humaines. De plus, l’utilisation de tels modèles permet d’étudier indépendamment les facteurs génétiques et/ou environnementaux nécessaires ou suffisants àl’induction de pathologies ou comportements atypiques.

L’étude des mécanismes moléculaires précurseursetsous-jacentsestégalementfacilitée comparativement aux possibilités offertes dansles études humaines. Effectivement,la compréhension des bases neurobiologiquesassociéesàla modulation ducomportement demande des études moléculaires fines. Excepté en situation post-mortem, oùl’intégrité des tissus peutêtreremiseen question,leséchantillons biologiques humainsexploitables se limitentessentiellementauxcellules buccalesetsanguines. Cependant, ces dernières ne reflètent pas nécessairementles modifications opérées dans notretissucible :lecerveau. Les modèles animaux offrent alorsl’opportunité d’effectuer unsuivi plus complet des modalitésstructurales, moléculairesetfonctionnellesaffectées. De plus,la possibilité de développer de nouvelles approches thérapeutiques dans une optique préclinique est également un des points forts de ces modèles.

b) Un modèleimparfait

Néanmoins, de nombreuses différences existent entre humains et rongeurs. Afin d’évaluer la validité d’un modèle animal, des critères ont été établis.Il s’agit dela validité de présentation, de construction et de prédiction. La validité de présentation concerneles

similitudes de symptôme entre l’homme et l’animal, celle de construction est la reproduction de l’éthiopathogénie des pathologies et enfin, la validité de prédiction évalue lasimilitude de réponse pharmacologique entreles modèles.

Parallèlement aux phénotypes dépressifs, anxieux et maniaques, sept aspects de la cognition humaine sont généralement affectés dansles maladies mentales. Ainsi,l’attention etla vigilance,la mémoire detravail,le raisonnement etla capacité à résoudre des problèmes,la vitesse d’exécution,l’apprentissage verbal, visuel,etla sociabilité sont autant de paramètresàconsidérer (Andreasen 1995; Jones, Watsonetal. 2011). De plussil’on considère la schizophrénie, des symptômes négatifs et positifs s’additionnent aux troubles cognitifs. Entermes de symptômes négatifs,la pathologie peut setraduire par des émotions tranchées, un retrait social,l’anhédonie et une pauvreté dela pensée et du discours. Malgré que de nombreux aspects précités puissent être étudiés dans un modèle animal, les aspects positifs de ces pathologies sont plus difficilement investigables avec des modèles animaux (hallucinationsauditives, visuelles, une dévaluation del’individu ou une désorganisation conceptuelle et de la pensée). Alors que certains aspects pathologiques des maladies mentales peuvent être relativement aisément modélisés chez l’animal, d’autres paramètres nécessitant de fonctions telles que la pensée et/ou la parole semblent impossibles. L’intégralité des symptômes ne peut donc pas être exploitée dans le contexte d’une étude animale, et ceci constituele principal point faible de ces dernières.

Certains critères de diagnostics humains ne peuvent donc pas être évalués chez les rongeurs. Les méthodes contemporaines d’évaluations de la condition mentale chez l’humain nécessitent une série de questionnaires, non applicables ou modélisables pour les rongeurs. Ainsi, malgré de très fortes similarités entre le développement cérébral, la neurobiologie etl’organisation des voies entreles hommes etlesrongeurs,il semble évident quel’incapacité decommunicationentrel’évaluéetl’évaluateurrendle modèle imparfait. Hormis cette limitation spécifique liée au discours, les modèles murins remplissentcependanttouteslesconditions pourconstituer un modèlesatisfaisant dans l’étude de ces affections.

c) Outils etlimitesintrinsèques

De nombreux tests de comportement ont été développés puis validés chez la souris afin de modéliser les paradigmes comportementaux retrouvés dans les pathologies mentales humaines. Ils ont ainsi pu aider à confirmer ou infirmer les liens hypothétiques entre une modulation comportementale et une modification génétique, un composé pharmacologique ouencore uncontexteenvironnemental.Il demeurecependant primordial de prendreen considération les spécificités intrinsèques de l’espèce testée. Une attention particulière doit être portée lors du développement d’outils afin de s’adapter au mieux au modèle choisi, et une grande prudence doit être apportéelors del’interprétation des résultats ainsi obtenus. Parmilestestsles pluscommunément utilisés dansle domaineseretrouvent différents types detests modélisant des aspects dela manie, anxiété, dépression etsociabilité. Afin de déterminer le niveau de locomotion basal des animaux et évaluer une éventuelle hyper ou hypoactivitéassociéeàla manie, une mesure del’activité dans un nouvelenvironnement peut être effectuée (Beaulieu, Sotnikova et al. 2005). Cette mesure d’activité peut égalementêtreconjointeà uneinjection decomposéafin de déterminerl’impact d’une drogue sur ce paradigme. En augmentantla dimension dela surface disponible pour l’animal, unecomposanteanxiogéniqueentreenjeu. Ceciconstituealorsletest d’aire ouverte. La zone considéréesécuritairesesitue en périphérie et proche des parois par oppositionàlazoneàrisque, anxiogène, constituée delazonecentrale del’aire ouverte (Simon, Dupuis et al. 1994). Ce même paradigme est utilisé danslestests d’anxiété dits en ‘’croix surélevée’’ et ‘’labyrinthe en O’’. Dans chacun de ces tests, les nombres d’entrées par zone,la présence et activité dansles sections ouvertes par opposition à celles protégées servent d’indicateur de prise de risque. la différence entre les deux test est la forme. Alors que l'un est cruxiforme, l'autre est circulaire. Par extrapolation, ceci est interprété comme une mesure du niveau d’anxiété de l’animal (Deacon 2013). Dans le même ordre d’idée se trouveletest d’émergenceàlalumièreconstitué d’une boiteà deuxcompartiments dont seulement un est éclairé. La zone anxiogène pour l’animal sera la zone exposée et lumineuse. Dela même façon,le niveau d’anxiété del’animal est déterminé en fonction de son patron d’activitélocomotrice dansl’appareil detest (Deacon 2013).

D’autrestypes detests disponibleset validés permettent de modéliserlescomportements pseudodépressifs. Les deuxtestsles plus communément utilisés sontlestests de suspension

par la queue et de nage forcée (Kitada, Miyauchi et al. 1981; Steru, Chermat et al. 1987). L’animal est alors placé dans unesituation pouvantinduire un état de désespoir etsa réponse comportementale est enregistrée. Le paramètre alors étudié est son temps d’immobilité et/ouinversement de débattement. Ceratioest utilisécomme indicateur du niveau de pseudo-dépression del’animal, plusl’animal se débat, plusle niveau de pseudo-dépression est considéré comme faible. Parallèlement à ces deux tests, un test d’anhédonie peut également être effectué pour évaluerle niveau de pseudo-dépression. Contrairement à touslestests, précités,ce dernier necomporte pas decomposante motrice.Ilconsidère uniquement une préférence pour une condition agréable pour l’animal telle que la préférenceausucrose. Enfin,lestests desociabilité développés pourles modèles murins modélisentégalementcertains aspects des maladies mentales. Dansletest d’interaction socialelibre, les paradigmes d’agressivitéet derecherche decontactsocial peuventêtre évalués (Guitton 2009). Le test de préférence pour la nouveauté sociale évalue notamment la prédisposition desanimauxàalleraucontact d’uncongénère par oppositionau choix d’uneisolation sociale (Moy, Nadler et al. 2004).

Avecl’aide deces nombreuxtests, une multitude de questions peuventêtre poséessur l’étiologie des maladies mentales etles modes d’action des composés pharmacologiques. Il reste cependant primordial de considérer des tests adaptés aux caractéristiques du modèle murin utilisé. Ainsi,si parexemplele modèleétudié présente uneactivitélocomotrice anormale, les tests d’anxiété ou de pseudo-dépression appropriés ne devront pas comprendre de composante motrice au risque de biaiserl’interprétation.

Danslecadre d’une utilisationconsciencieuseetréfléchie,les modèles murins peuvent ainsi représenter detrès bons outils pour modéliser certains aspects des maladies mentales. Néanmoins, ils ne pourront pas pour autant pouvoir prétendre à constituer des modèles de pathologiespécifiquecomptetenu des origines multifactorielles deces dernièreset dela limiteimposée parl’absence de parole chezl’animal.

3. Maladies mentales et hypothèses monoaminergique

a) Hypothèse dopaminergique (1) Déterminisme génétique

De nombreuses données génétiques ont permis d’effectuer descorrélationsfortesentrele développement de maladies mentales et le système dopaminergique. Certains polymorphismes présents dans les éléments génétiques du système dopaminergique pourraient prévenir ou au contraire être des facteurs de risques dansle développement futur de maladies mentales.

Ainsi, le polymorphisme -141C, une insertion dans le promoteur du récepteur de type D2 (D2R),aurait uneffet protecteurcontrele développement delaschizophrénie (Jonsson, Nothen et al. 1999). D’autres mutations pourraient au contrairefavoriserlerisque de développer cette pathologie,dont le polymorphisme S9G présent dans le gène codant pour le récepteur àla dopamine detype 3 (D3). La présence de cette mutation affectele domaine N-terminal extracellulaire du récepteur et, à l’état d’homozygotie, elle constitue un facteur de risque pourle développement dela schizophrénie (Dubertret, Gorwood et al. 1998). Des polymorphismes dansle promoteuretlaséquence du gènecodant pourlerécepteuràla dopamine detype 4(D4) ontégalementété misenévidence danslesfacteurs derisques génétiquesau développement d’affections psychiatriques (Okuyama,Ishiguroetal. 2000; D'Souza and Craig 2006).

Parallèlement aux mutations identifiées dans les différents types de récepteurs à la dopamine,il apparait que d’autres mutations portées dans des gènes codant pour des protéines étroitement associées à la signalisation dopaminergique sont déterminantes. Ainsi, lestroubles del’attention pouvent être corrélés avec un polymorphisme dansle gène codant pourletransporteur àla dopamine(DAT) (Vandenbergh, Persico et al. 1992; D'Souza and Craig 2006). De plus, différentes mutations dansla séquence dela catéchol -O-méthyl transférase (COMT), et de son promoteur, ont été associées avec plus ou moins de forceaux maladies mentales (Lee,Jooetal. 2005; Savitz, Solmsetal. 2006; Burdick, Funke et al. 2007). Cette enzyme catalysela dégradation des catécholamines, dontla dopamine. De plus si l’on considère la signalisation en aval des récepteurs à la dopamine,

des polymorphismes dans le gène d’AKT1 ont également montré une covariation avec les risques de schizophrénie (Emamian, Hall et al. 2004).

De nombreuses évidences génétiques permettent alors de faire de lien entre la modulation des voies designalisation dela dopamineetl’étiologie des maladies mentales(figure 1). Cependant,cesont bienlesévidences pharmacologiques qui ontapportéles preuvesles plus solides quant àl’implication de cette voie dansles maladies mentales.

Figure 1 : Représentationillustrée d'une synapse dopaminergique.TH : Tyrosine Hydroxylase, DDC: Dopa Décarboxylase, V-MAT2 : Transporteur vésiculaire des monoamines, COMT: Catéchol-O-Méthyl

Transférase, DAT : Transporteur dela Dopamine.

(2) Une hypothèse provenantinitialement dela pharmacologie

Lathéorie del’hyperdopaminergie dansles maladies mentales a étéformulée dansles années 70 et a émergé via deux observations cruciales. La première observation vient dela corrélation positive entreles doses d’antipsychotique effectives etle blocage des récepteurs àla dopamine detype 2(D2R) (Seemanand Lee 1975; Creese, Burtetal. 1976). Les

Tyrosine DOPA dopamine TH DDC V-MAT2 D2-D3 D1-D5 D2-D3-D4 Gs Gi/o DAT MAOA COMT AKT

antagonistes desrécepteurs D2sonteffectivementefficaces pour prévenirlessymptômes positifs delaschizophrénie. De plus,ilaété montré que desagonistes dopaminergiques peuvent reproduire certains paradigmes observés dans les maladies mentales. Cette réciproque vientessentiellement du potentiel desamphétaminesàinduire dessymptômes de type psychotiques via l’augmentation des taux de dopamine (DA) (Lieberman, Kane et al. 1987). Les symptômes positifs de la schizophrénie pourraient alors être associés à une hyperactivité dopaminergique.

(3) Un neurotransmetteur pour différentes conséquences

Il existe deux classes de récepteurs dopaminergiques et ces dernières ne semblent pas agir de concert. La classe D1 comprend les récepteurs D1 et D5 et la classe D2 comprend les récepteurs de D2, D3 et D4 (figure 2).

Figure 2 :Représentation comparative des deux classes derécepteurs àla dopamine. Modifié de (tetyana 2015)

Contrairement aux antagonistes des récepteurs de type 2, les antagonistes des récepteurs à la dopamine detype 1 (D1R) ne disposent pas de potentiel antipsychotique.À l’inverse,un blocage de ces derniers aggraverait les symptômes positifs (de Beaurepaire, Labelle et al. 1995; Karlsson, Smith et al. 1995). Ainsi, des différences majeures entre les deux classes de récepteur semblent exister.

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Un des points de divergence majeure entreles classes D1 et D2 concerneleur signalisation intracellulaire etleur couplage associé aux protéines G, dontles détails seront apportés dans unesection ultérieure. De plus,les différentesclasses derécepteurs dopaminergiques ont desconséquences opposéessurlasignalisation glutamatergique. Alors quelastimulation des récepteurs D2 réduitl’activité glutamatergique associée aux récepteurs au N-Méthy l-D-Aspartate(NMDA),l’activation des récepteurs D1lafavorise (Levine, Li et al. 1996; Centonze, Picconi et al. 2001).

Ainsi, l’intérêt porté à la dopamine dans ce domaine est largement justifié. Cependant, le lien entrela modulation des niveaux de dopamine etla modulation du comportement s’avère être complexe. Il n’est ni linéaire ni simple. La diversité de récepteurs existants et les différences notoires entreles voies de signalisation associées à chaque classe permettent alors de mettre l’emphase sur l’importance de la modulation fine de la signalisation dopaminergique.

(4) Évolution des pensées et avenirthérapeutique

Comptetenu deleurforteteneur enterminaux dopaminergiques etrécepteurs D2,les structurestelles quele noyau accumbens etle striatum sont particulièrement étudiés dansle contexte des maladies mentales. Néanmoins, des études ont également démontré l’importance dela neurotransmission dopaminergique au niveau du cortex (Go ldman-Rakic, Mulyetal. 2000). Ainsi,ilaété misenévidence que 20à 25% des neurones pyramidaux ducortex préfrontalco-exprimentlesrécepteursàla dopamine D1Ret D2R (Zhang, Burke et al. 2010).

L’hypothèseinitiale del’implication dela dopamine dansles maladies mentalesaainsi évolué selon les structures cérébrales considérées. Le rôle de la dopamine dans la mise en place des fonctions cognitives,tout commele rôle du cortex préfrontal a été établis (Weinberger 1987; Davis, Kahn et al. 1991). L’hypothèse alors en placeserait quela fonction dopaminergique est réduite dansle cortex préfrontal de schizophrènes (ainsi qu’éventuellement dans le striatum ventral) alors que cette même activité serait augmentée danslestriatumassociatif(dorsal) quireçoit desafférences ducortexfrontal (Laruelle 2014). Les symptômes psychotiques seraient ainsi associés à une sursensibilité des récepteurs D2 danslesrégionssubcorticalesetlessymptômes négatifs viendraient d’une

hypoactivation des récepteurs corticaux. Ce débalancement d’activité pourrait alors être une des composantes des pathologies.

b) Hypothèse sérotoninergique (1) Déterminisme génétique

Des mutations dans le système sérotoninergique ont également été associées aux maladies mentales. Qu’il s’agisse des mécanismes de synthèse, détection parles récepteurs ou encore de dégradation dece neurotransmetteur,toutesles étapessemblentêtre potentiellement impliquées dansl’étiologie des maladies mentales (figure 3).

Figure 3: Représentationillustrée d'une synapse sérotoninergique.TPH2 : Tryptophane hydroxylase 2, 5 -HTP : 5-Hydroxytryptophane, 5-HT : 5-Hydroxytryptamine ou sérotonine, V-MAT : Transporteur vésiculaire des monoamines, MAOA : Mono Amine Oxydase A, COMT: Catéchol-O-Méthyl Transférase, SERT : Transporteur

dela Sérotonine, 5-HIAA : Acide 5-Hydroxyindolacétique.

Si l’on considère les processus biologiques de la synthèse de la sérotonine, la fonction de l’enzyme de synthèse que sont les tryptophane hydroxylases (TPH1/2) semble

T

ryp

tophane

5-HTP

TPH2

5-HT

5-HTP

décarboxy

lase

5HT

5HT

5HT

5HT

Gq

/11

G

i/o

Gs

5HT

5H

IAA

particulièrement déterminante dansl’étiologie des maladies mentales (Mallet 1999). Un risque deschizophrénieaétéassociéàlarépétition d’un motif TCAT dansle premier intron de ce gène (D'Souza and Craig 2006). De plus, les mutations R411H et P206S dans la forme neuronale de cette enzyme, la tryptophane hydroxylase 2 (TPH2), ont été associées à des cas de dépression majeure (Zhang, Gainetdinov et al. 2005;Cichon, Winge et al. 2008). D’autres mutations dans des portions non codantes de ce gène ont également été corrélées avec des conditions psychiatriques (Haavik, Blau et al. 2008).

Contrairementau gène HTR1Bcodant pourlesrécepteurs préet post-synaptiques dela classe 5HT1, les études effectuées sur le gène HTR2A ont permis d’identifier des polymorphismes associés aux maladies mentales (D'Souza and Craig 2006). Parmi eux se trouve le polymorphisme T102C qui a été significativement corrélé à des cas de schizophrénie (Abdolmaleky, Faraone et al. 2004).

Des mutations dansle gène codant pourletransporteur dela sérotonine(SERT) ont égalementétéidentifiées (Heils, Teufeletal. 1996). Ce polymorphismeconsisteen une délétion de 44 paires de bases, générantalors deuxformes alléliques, unelongueet une courte. La forme courte a été associée à destraits de personnalité anxieux et à une propension au développement detroubles affectifs (Collier, Arranz et al. 1996; Lesch, Bengel et al. 1996).

Enfin,la monoamine-oxydase A(MAOA),enzymeimpliquée dansla dégradation dela sérotonine (ou 5-hydroxytryptamine, 5HT), a également été associée àl’étiologie des maladies mentales. Cette enzyme dégradela sérotonine en son métabolite,l’acide 5-hydroxyindolacétique (5HIAA). Dans un premiertemps, des observations ont pointéle fait que des patients suicidaires présentaient une diminution dutaux de 5HIAA (Asberg, Traskman et al. 1976). Par la suite il s’estavéré que des modulations de la fonction de cet enzyme étaient associées à des comportements atypiques (Brunner, Nelen et al. 1993; Lenders, Eisenhoferetal. 1996). Alors qu’uneformetronquée dela protéine produiteen raison d’une mutation non-sens dansl’exon 8aétéassociéeà uncomportementagressif (Brunner, Nelen et al. 1993), une répétition en tandem de 3 à 5 fois d’une séquence de 30 paires de basesaétéassociéeà des phénotypes d’attaques de panique, probablementen raison d’une activité de l’enzyme augmentée (Sabol, Hu et al. 1998; Deckert, Catalano et al. 1999). Ces évidences génétiques ouvrent alorsla possibilité quela dopamine ne soit pas

le seul neurotransmetteur potentiellement régulé dans les maladies mentales. La sérotonine peut elle même détenir une part d’action dans ces mécanismes de modulation neurocomportementale.

(2) Évidences pharmacologiques del’implication dela sérotonine

Parallèlement àl’hypothèse dopaminergique,le rôle dela sérotonine a également été largement étudié dans le contexte des maladies mentales. Tout comme pour la dopamine, deux évidences pharmacologiques majeures ont permis de mettre en avant cette hypothèse. Essentiellement,lesrechercheseffectuéessur desantipsychotiquesatypiques(clozapine, risperidoneet olanzapine) ont démontréesleuraffinitésupérieure pourlesrécepteursàla sérotonine detype 5-HT-2A comparativement aux récepteurs detype D2R (Arnt and Skarsfeldt 1998). De plus, et de manière réciproque, les agonistes partiels de ce récepteur tel que l’acide lysergique diethylamide (LSD) détiennent un potentiel psychotrope et hallucinogène dépendant du système sérotoninergique.

Cependant,les données accumulées au cours des années semblent converger vers une implication prédominante de ce neurotransmetteur dans les symptômes négatifs des maladies mentales, par opposition aux symptômes positifs.

(3) Augmenterle 5-HT pourtraiter

L’implication dela 5-HT dansles épisodes dépressifs est appuyée par de nombreuses observations cliniques. Premièrement, les traitements de première ligne contre les dépressions se trouvent être les inhibiteurs de la recapture de la sérotonine. L’efficacité de ces derniers vient de leur rôle d’agoniste indirect des récepteurs à la 5-HT en bloquant le transporteur àla sérotonine (SERT). Ils augmentent alorsla cinétique de disponibilité du 5-HT àla synapse. De manière analogue,lesinhibiteurs de monoamine-oxydase (IMAO) sont égalementconnus pourleur potentielàaugmenterla biodisponibilité delasérotonineen limitantla dégradation des monoamines.

Les expériences inverses ont également conforté cette hypothèse. Effectivement, la déplétion en sérotonine engendrée par des composés tels que la réserpine est connue pour induire des symptômes dépressifs (Coppen, Shaw et al. 1967). Néanmoins, même s’il apparait que de faibles taux de sérotonine sont classiquement associés à un état dépressif, les niveaux dece neurotransmetteur ne doivent pasêtre démesurémentaugmentéssous

peine d’induire unsymptômesérotoninergique (Volpi-Abadie, Kaye et al. 2013). Tout comme cela est le cas pour la dopamine, la signalisation sérotoninergique semble également détenir uneimportance non négligeable dansl’étiologie des maladies mentales et nécessite une signalisation subtilement régulée.

4. Monoamines et signalisation des récepteurs couplés aux protéines G

a) Une signalisation des monoamines dépendante des RCPGs

Dansle génome humain,ilestestimé qu’environ 1000 gènescodent pour desrécepteurs couplés aux protéines G (RCPGs). Ces récepteurs sont connus pour modulerla plupart des fonctions biologiques. Ainsi, leur dérégulation est bien souvent impliquée dans le développement de physiopathologies et ils constituent également la cible de plus de 40% des agents pharmacologiques disponibles sur le marché. Les pathologies psychiatriques ne dérogent pas à cette généralité.

À l’exception durécepteur 5-HT-3,touslesrécepteursassociésaux monoaminessont de type RCPGs. Lasignalisationintracellulaireenaval decettefamille derécepteursserait alors déterminante. Le développement de maladies mentales, commela rémission suite à un traitement pharmacologique approprié, pourrait alors êtreintimement liée avecl’activité de cette classe de récepteurs. La modulation des récepteurs aux monoamines et leur signalisationintracellulaireconstitueraient alors une declé de voute delacompréhension neurobiologique des maladies mentales et deleurtraitement.

b) Structure et rôle senseur

Les RCPGssont caractérisés comme étant unefamille derécepteurs disposant desept hélices transmembranaires. Ces dernières sont interconnectées par des boucles dont 3 sont exposées dansla partieintracellulaire, et 3 dansl’espace extracellulaire. De plus,leur conformationassurela présence d’une queueextracellulaire N-terminaleafin de détecter les éventuels ligands et transduire ce message sous forme d’activation de voies de signalisationintracellulaires. Néanmoins,les mécanismes de signalisationintracellulaire en aval desrécepteurssont divers etil existe des voies dépendantes etindépendantes de l’activation des protéines G.

c) Activation et signalisation G dépendante

De manière classique il est considéré que lors de la liaison du substrat avec le RCPG, ce dernier change de conformation de manière à recruter une protéine G hétérotrimérique. Les protéines G sont constituées de 3 sous-unités. La sous-unité α dispose du site deliaison àla guanineainsi que del’activité GTPasealors quelasous-unité ßγ agit davantagecomme messager secondaire. La diversité d’isoformes co-exprimés pour chacune de ces sous-unités assure cependant une hétérogénéité du signal possible. Il existe effectivement un minimum de 17types desous unitésα, 12types desous-unités γ et 5 de ß. Selonlescombinaisons d’assemblage possibles, des classes de protéines G ont été établies.

Ainsi,la classe Gs est caractérisée par son potentiel à activerla voie del’adénylase cyclase (AC) par oppositionà laclasse Gi menantàl’inhibition decette même voie. De plus,la classe dite Gq est caractérisée par sa capacité à activerla voie dela phospholipase C (PLC) etla classe G12 parlarégulation de petites protéines detype Ras. Chaquerécepteur disposerait d’uneaffinité prédominante pour uneclasse de protéine G. Ainsi,surla base d’un couplage préférentiel, chaque récepteur peut activer un nombre limité de protéines G et déclencherles voies de signalisations subséquentes (Figure 4).

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Figure 4 : Couplage desrécepteurs dopaminergiques et sérotoninergiques.A. Liste des différents récepteurs, protéine G préférentielle et signalisation classiquement engagée. Modifié de‘’the druggable GPCRome’’, ©DicoverX.B. Effet dela protéine G surla voie del’AC et production d’AMPc. C. Effet des

protéines G surla voie dela PKC. ßArr : Beta Arrestine, PKA: Protéine Kinase A, AMPc: Adenosine MonoPhosphate Cyclique, PLCß : Phospho Lipase C Beta, PKC: Protéine Kinase C, GTP: Guanosine Tri -Phosphate, PPi : Anion Pyrophosphate, PLC: Phospholipase C, PIP2: Phosphatidylinositol-4,5-diphosphate,

IP3:Inositol Triphosphate, DAG: Diacyl Glycerol

Gq P P P P ! " Ligand # !"#$ PLC PIP2 IP3 DAG _PKC PKC PKCactive P Libération de calcium # GTP ! " C ! "

L

igand

Gs

AC

L

igand

G

i/o

B

À titre d’exemple,la signalisation des D1Rs se fait viala protéine Gs etla signalisation de la classe D2se fait parle couplage D2R/Gi (Andersen and Nielsen 1987;Ohara, Haga et al. 1988). L’activation de ces différentsrécepteurs aura donc pour effetrespectif defaire augmenter ou diminuerl’adénosine mono-phosphate cyclique (AMPc) au sein dela cellule. La stimulation d’un RCPG facilite doncle recrutement dela protéine G hétérotrimérique et favorisesonactivation. Lasous-unité α devientalorscoupléeau GTP,ce quientrainela dissociation du complexetripartite en deux effecteurs distincts : d’une partla sous-unité α-GTP, d’autre partlasous-unité ßγ. Parmiles voies designalisation modulées par ces effecteurssetrouventles voies del’AC,la PLC, différentscanauxioniquesainsi quela phospho-inositide 3-kinase (PI3K).

d) Activation indépendante des protéines G

Parallèlement à cela, il est établi que les RCPGs effectuent une signalisation indépendante des protéines G. Cettesignalisationannexes’opère vial’action de kinasescoupléesaux RCPGs (GRK) et aux arrestines (Ferguson 2001). Ainsi, de nouvelles voies de signalisationsengendrantla désensibilisation durécepteuretsoninternalisation peuvent avoirlieu. Suiteau découplage dela protéine G,lerecrutement des GRKs vainduirela phosphorylation du récepteur en son domaine intracellulaire C-terminal (Lefkowitz 1993). Ce signal initie le recrutement des arrestines, protéines d’échafaudage également impliquées danslasignalisationintracellulaire des RCPGs. Malgrél’existence de 4types d’arrestines, seulement deuxisoformes se retrouvent au niveau cérébral :les arrestines 2 et 3, ou ß-arrestine 1et 2 (Gurevich, Benovicetal. 2002). Cetteliaison permetalors d’une part de prévenirle couplage de nouvelles protéines G et d’initierl’internalisation des récepteurs. L’endocytose durécepteurest possible grâceàl’intervention desarrestineset peutfaireégalementintervenirla protéine adaptatrice 2(AP2)etlaclathrine (Krupnick, Goodmanetal. 1997; Laporte, Oakleyetal. 2000) (figure 5). De plus,ces mécanismes peuventinitier une signalisation alternative.

Figure 5 : Signalisationindépendante des protéines G.GRK : Kinase desrécepteurs couplés aux protéines G. ßArr :Beta-arrestine.

e) La génération d’une réponse globale et complexe

Suiteàl’activation post-synaptique des RCPGssetrouvent alors deux grandesclasses de mécanismes de signalisation:la signalisation dépendante des protéines G etla signalisation indépendante des protéines G. Chacune deces voies,auxintervenants diverset variés, constitue une suite d’activation et/ou d’inactivation séquentielle d’intermédiaires protéiques.

Les partenaires d’interaction et/ou cibles des éléments impliqués ne sont pas nécessairement uniques et spécifiques à un signal. Le rayonnement du signal biochimique permetalors defaire diverger ouconvergerlessignaux vers des voies designalisation connexes. Dans ce contexte de pluralité des voies de signalisation conjointement activées, la notion decodisponibilitétemporelleetspatiale des différents partenaires d’interaction protéique semble alors primordiale. Ainsi, la réponse cellulaire faisant suite à une stimulation neurochimique va être dépendante de nombreux facteurs.

La perception dusignal viales RCPGs,leur potentiel d’association,leurcouplage, mais égalementle pool dynamique de protéines disponible pourtransmettrele signal sont autant

!

" #

!

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désensibilisation

P GRK _"Arr endocytose P "Arr P "Arr

internalisation

dégradation recyclage

AP2