Biosensor imaging of dopamine and glutamate signaling in striatal projection neurons in a mouse model of dopamine depletion

par Louise-Laure Mariani

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Denis Hervé et de Jean-Antoine Girault.

Soutenue le 14-12-2018

à Sorbonne université , dans le cadre de École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris) , en partenariat avec Institut du Fer à Moulin (Paris) (laboratoire) .

Le président du jury était Peter Vanhoutte.

Les rapporteurs étaient Avrama Blackwell, M. Angela Cenci.

  • Titre traduit

    Imagerie par biosenseurs de la signalisation dopaminergique et glutamatergique dans les neurones de projection du striatum dans un modèle murin de déplétion dopaminergique


  • Résumé

    La maladie de Parkinson (MP) est la seconde maladie neurodégénérative la plus fréquente. Il n’y a pas de traitement curatif de la maladie. Les traitements symptomatiques s’appuient principalement sur le remplacement de la dopamine (DA). Le traitement par L-DOPA, particulièrement efficace initialement, se complique à long terme par des fluctuations et dyskinésies. Les mécanismes de la plasticité striatale anormale sous-tendant l’apparition de ces dyskinésies sont mal compris. Le but de ce projet était d’identifier les anomalies des voies de signalisation dans les neurones de projection du striatum en l’absence de DA. Nous avons utilisé chez des souris avec lésion ou non des neurones DA par la 6-OHDA, des biosenseurs permettant l’étude de voies de signalisation en imagerie cellulaire multiphotonique de neurones vivants dans des tranches corticostriatales. Nous avons d’abord mis au point ce modèle combinant injection stéréotaxique de toxine et de vecteur viral chez des souris adultes. Dans certaines expériences nous avons étudié spécifiquement les réponses des neurones de projection striataux des voies directe (NPSd) ou indirecte (NPSi) en utilisant des biosenseurs activés par la recombinase Cre et des lignées transgéniques exprimant spécifiquement cette enzyme dans l’une ou l’autre population. Nous avons utilisé des biosenseurs FRET pour mesurer l’activité de la kinase dépendante de l’AMPc (PKA, sonde AKAR3) ou ERK (extracellular signal-regulated kinase, sonde EKAR-EV) et le senseur calcique GcAMP6S pour le Ca2+ libre cytosolique avec une bonne résolution spatiale et temporelle. Nous avons modulé pharmacologiquement les récepteurs de la DA, du glutamate et de l’adénosine, ainsi que les activités des kinases et phosphodiestérases. Nous avons observé que la lésion augmentait les réponses ERK à la stimulation des récepteurs D1 de la DA dans les NPSd. Nous avons montré une augmentation des réponses PKA dans ces neurones pouvant être liée à une augmentation de la protéine G stimulatrice d’adénylyle cyclase, Gαolf, ainsi qu’à une inhibition des phosphodiestérases. L’imagerie calcique a mis en évidence une augmentation de l’activité spontanée des NPSd et, de manière inattendue, de la sensibilité à la stimulation des récepteurs AMPA du glutamate des NPSi. En conclusion notre travail utilise pour la première fois l’imagerie biphotonique par biosenseurs dans le striatum dépourvu de DA de souris adulte. Il met en évidence des déficits multiples et distincts de la signalisation dans les deux populations de neurones de projection du striatum et suggère des mécanismes possibles de ces altérations.


  • Résumé

    Parkinson’s disease (PD) is the second most common neurodegenerative disorder after Alzheimer’s disease. There is currently no cure for PD. Symptomatic drug therapy essentially relies on dopamine (DA) replacement therapy. The spectacular antiparkinsonian effect of levodopa in PD is however hampered by long-term complications, motor fluctuations and dyskinesia in all patients at some time during the disease course. The mechanisms of the maladaptive striatal plasticity leading to dyskinesia are not well understood. The aim of this project was to identify the dysregulations of signaling pathways in striatal projection neurons (SPN) in the absence of dopamine. We used a mouse model of lesion of DA neurons with 6-OHDA and virally transduced biosensors to monitor signaling pathways in live neurons with two-photon imaging of corticostriatal slices. We focused our attention on extracellular signal-regulated kinase (ERK), cAMP-dependent protein kinase (PKA) and Ca2+ which are known to be altered in the absence of DA. We first set up a reliable experimental model in adult mice, successfully combining 6-OHDA and viral vector in the same unilateral stereotactic injection into the dorsal striatum. In some experiments we targeted the biosensor expression to specific neuronal populations using Cre-dependent “flexed” biosensors. We used mice expressing Cre under the control of the D1 DA receptor (D1R) promoter to target specifically striatal projection neurons of the direct pathway (dSPNs) or the adenosine A2A receptor (A2AR) to target SPNs of the indirect pathway (iSPNs). We used fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based biosensors EKAR-EV and AKAR-3 to monitor ERK and PKA activities, respectively. We also monitored cytosolic free Ca2+ with the genetically encoded calcium indicator GCaMP6S. We used pharmacological tools to modulate glutamate, DA, and adenosine receptors as well as phosphodiesterases (PDE) and kinases activities. We observed that the DA lesion increased ERK responsiveness to stimulation of D1R. Since ERK activation depends on both cAMP and Ca2+ signals, we then investigated these two pathways. We observed an increased activation of PKA in response to D1R but not A2AR. We explored the mechanism of this increased sensitivity using mice deficient for Gαolf, the G protein that couples striatal receptors to adenylyl cyclase. We provided evidence that increased levels of Gαolf contributed to enhanced D1 responses after 6-OHDA lesions and identified a deficit in PDE activity in D1 neurons that was likely to amplify this effect. By monitoring Ca2+ signals we showed an increased spontaneous activity of D1 neurons in lesioned mice. However, unexpectedly the Ca2+ responses to stimulation of AMPA glutamate receptors were increased in iSPNs and not dSPNs. In conclusion, our work using for the first time 2-photon biosensor imaging in the DA-depleted striatum of adult mice confirms and extends previous observations on signaling dysregulations in the absence of DA. It reveals distinct cell type-specific alterations of cAMP, Ca2+ and ERK responses in the two populations of SPNs and suggests possible mechanisms for these alterations.


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