Development and characterization of the CB1-E134G transgenic mouse model to study the role of endogenous pregnenolone in modulating the endocannabinoid system - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Development and characterization of the CB1-E134G transgenic mouse model to study the role of endogenous pregnenolone in modulating the endocannabinoid system

Développement et caractérisation du modèle transgénique murin CB1-E134G pour l’étude du rôle de la pregnénolone endogène dans la modulation du système endocannabinoïde

Résumé

The endocannabinoid system (ECS) is a complex neuromodulatory network that has attracted tremendous research interest over the past 50 years. The vast majority of our knowledge of ECS-mediated signaling is associated with the type 1 cannabinoid receptor (CB1R), a seven-transmembrane domain G-protein coupled receptor. CB1R is expressed in various organs and tissues, with the highest levels found in the brain, where it is the most abundant metabotropic receptor in mammals and is intimately involved in the regulation of a plethora of biological functions. Conversely, because CB1R controls such a broad range of physiological processes, dysregulation of CB1-mediated signaling has been implicated in the pathogenesis of many central and peripheral disorders. Thus, CB1R represents an exciting therapeutic target for the development of pharmacotherapies in the context of neuropsychiatric and metabolic diseases. From this perspective, the discovery of endogenous regulatory mechanisms to prevent an imbalance in CB1R activity represents promising therapeutic strategies to restore the CB1R-associated homeostatic load. In particular, the steroid pregnenolone (PREG) has been identified as an endogenous CB1 negative allosteric modulator with neuroprotective effects. Interestingly, CB1 overactivation by the exogenous CB1 agonist ∆9-tetrahydrocannabinol (THC), the primary psychoactive component of Cannabis sativa, has been shown to upregulate central PREG levels, establishing an endogenous negative feedback loop between the steroid and the CB1R. Indeed, PREG is able to bind to the TMH1/TMH8/Hx8 region of the CB1R and selectively inhibit CB1-mediated signaling pathways to protect against the acute and toxic effects of THC. However, our current knowledge of the interaction between PREG and CB1R remains elusive, and the limited pharmacological tools available are insufficient to identify novel roles for PREG in modulating CB1-mediated signaling and functions. To further explore this topic, we report the development and characterization of a novel transgenic mouse line carrying a missense point mutation in the CB1-encoding gene (Cnr1), resulting in the amino acid substitution E134G, aimed at disrupting the PREG allosteric binding site on CB1. The general objectives of this work are to describe the phenotypes of male and female CB1-E134G mice at baseline, under experimental conditions known to induce endogenous CB1R activation, and in response to exogenous cannabinoid administration. Analyses show little to no changes in behavior and mutant CB1-E134G mice compared to their wild-type (WT) littermates at baseline and after endogenous CB1 activation, suggesting that endogenous PREG does not regulate this CB1 activity. However, CB1 protein was found to be drastically downregulated in the brain of naive CB1-E134G mutants, suggesting a compensatory mechanism to prevent CB1R activation overload and a role for PREG in CB1R dynamics in vivo. In addition, CB1-E134G mice exhibited enhanced efficacy of exogenous cannabinoids at the behavioral, somatic and neurochemical levels compared to WT mice. Interestingly, PREG was found to preferentially regulate striatonigral mitochondria-associated CB1R over plasma membrane-associated CB1R involved in cannabinoid-mediated locomotor effects and antinociception, respectively. Collectively, these data confirm that PREG represents a defense mechanism against CB1 overactivation and suggest that this regulatory loop may involve specific intracellular subsets of receptors to maintain homeostasis. Furthermore, it can be hypothesized that PREG represents a molecular switch to bias the action of cannabinoids towards therapeutically relevant analgesia by inhibiting motor side effects, suggesting the therapeutic potential of PREG in cannabis use disorders. Finally, future use of this model may provide new opportunities to elucidate the mechanism of action of PREG as a CB1 negative allosteric modulator and new therapeutic prospects.
Le système endocannabinoïde (SEC) est un système biologique complexe qui a suscité un intérêt scientifique considérable ces 50 dernières années. La grande majorité de nos connaissances sur le SCE est associée au récepteur aux cannabinoïdes de type 1 (CB1), récepteur à 7 domaines transmembranaires couplé aux protéines G. Le CB1 constitue le récepteur métabotropique le plus abondant dans le cerveau des mammifères et est impliqué dans la régulation de nombreux processus physiologiques. Ainsi, la dérégulation de son activité est associée à l’apparition de nombreuses pathologies. En outre, la récente découverte de mécanismes de régulation endogènes mis en place par l'organisme pour maintenir la charge homéostatique associée au récepteur, constitue un intérêt thérapeutique majeur. Cette étude s’intéresse tout particulièrement à la pregnénolone (PREG), un stéroïde identifié comme modulateur allostérique négatif endogène du CB1. Il a été montré que la suractivation du CB1 par son agoniste exogène et composant psychoactif principal du Cannabis, le ∆9-tétrahydrocannabinol (THC), entraine une augmentation des niveaux centraux de PREG. La PREG se lie ensuite au CB1 au niveau de la région TMH1/TMH8/Hx8 et bloque sélectivement les voies de signalisation médiées par le récepteur. Ainsi, la PREG est impliquée dans une boucle de rétroaction négative protégeant le cerveau des effets toxiques du THC. Néanmoins, nos connaissances actuelles sur l'interaction entre la PREG et le CB1 demeurent partielles. En effet les outils pharmacologiques actuels sont largement insuffisants pour identifier de nouveaux rôles de la PREG endogène dans la modulation des fonctions médiées par CB1. Afin de mieux appréhender ce sujet, nous rapportons ici le développement et la caractérisation d'une nouvelle lignée de souris transgéniques porteuses d'une mutation ponctuelle « faux-sens » dans le gène codant pour CB1 (Cnr1). Cette mutation entraîne la substitution E134G visant à perturber le site de liaison allostérique de la PREG sur le récepteur. Les objectifs généraux de ce travail de thèse ont ainsi pour but de décrire les phénotypes des souris CB1-E134G mâles et femelles à un niveau basal, dans des conditions expérimentales connues pour induire une activation endogène du CB1, et en réponse à l'administration de cannabinoïdes exogènes. Nos résultats n’indiquent pas d’altération majeure dans les phénotypes comportementaux des souris mutantes CB1-E134G par rapport aux souris témoins « Wild-type » (WT), au niveau basal et après une activation endogène du récepteur, suggérant que la PREG endogène ne régule pas cette activité CB1. Cependant, nous observons une baisse considérable de l’expression de la protéine CB1 dans le cerveau des souris CB1-E134G naïves, suggérant l’existence d’un mécanisme compensatoire pour prévenir la surcharge d'activation du récepteur suite à l’absence de liaison de la PREG. Par ailleurs, nous notons une efficacité accrue des cannabinoïdes exogènes chez les souris CB1-E134G par rapport aux souris WT, au niveau comportemental, somatique et neurochimique. De façon surprenante, la PREG semble réguler préférentiellement l’activité du CB1 associé à la mitochondrie par rapport au CB1 associé à la membrane plasmique, impliqués respectivement dans les effets locomoteurs et antinociceptifs des cannabinoïdes. Ainsi, ces données confirment que la PREG représente un mécanisme de défense contre la suractivation de CB1 et suggèrent que cette boucle de rétroaction négative implique préférentiellement les récepteurs associés à la mitochondrie. Ainsi, la PREG agirait pour protéger des effets secondaires moteurs des cannabinoïdes tout en conservant les effets à potentiel thérapeutique, comme l’analgésie. En conclusion, l’utilisation de ce nouveau modèle transgénique pourrait ouvrir de nouvelles voies pour étudier les mécanismes d’action de la PREG en tant que modulateur allostérique négatif du CB1 et ainsi offrir de nouvelles perspectives thérapeutiques.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04496096 , version 1 (08-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04496096 , version 1

Citer

Pierre-Louis Raux. Development and characterization of the CB1-E134G transgenic mouse model to study the role of endogenous pregnenolone in modulating the endocannabinoid system. Neuroscience. Université de Bordeaux, 2023. English. ⟨NNT : 2023BORD0365⟩. ⟨tel-04496096⟩
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