Behavioral sensitization to amphetamine: an emerging role for netrin-1 guidance cue proteins

The netrin-1 guidance cue and its receptors, DCC and UNC5H, contribute to the organization and function of mesocorticolimbic dopamine (mDA) circuitry during development. Interestingly, netrin-1 and its receptors continue to be expressed in mDA cell body and terminal regions throughout the lifespan, although there is a dramatic shift in the ratio of DCC: UNC5H receptor expression by mDA neurons in the ventral tegmental area (VTA), the mDA cell body region, during the adolescent period. This suggests that netrin-1 signaling may also play a role in the plasticity of MDA circuitry across the lifespan. Indeed, sensitizing regimens of the stimulant drug, amphetamine (AMPH), significantly upregulate DCC expression in adult rats. This upregulation, which is glutamate-dependent, is selective to the VTA, a site critical for the initiation of behavioral plasticity induced by stimulant drugs of abuse. Furthermore, adult dcc heterozygous (+/-) mice are "protected" against the sensitizing behavioral effects of repeated AMPH treatment. The aims of this Thesis were twofold: In the first instance, experiments were designed to determine whether netrin-1 signaling in the VTA plays a functional role in AMPH-induced sensitization during adulthood. Using a combination of behavioral and molecular techniques, it is demonstrated that the lack of AMPH-induced sensitization in adult dcc +/- mice is associated with a failure of AMPH to both upregulate DCC receptor expression and induce dendritic plasticity in the VTA. In parallel experiments conducted in adult rats, it is shown that VTA DCC receptor activation, at the time of AMPH pretreatment, is critical for sensitization to AMPH. These data implicate VTA DCC receptor signaling as a novel mechanism in the series of glutamate-dependent cellular processes that lead to enduring plasticity by stimulant drugs of abuse during adulthood. However, the effects of DCC/netrin-1 signaling on mDA system function have been shown to change across development, with the adolescent period being a crucial time in this netrin-1 /DA system interaction. Thus, the second aim of this Thesis was to begin to explore the role for netrin-1 receptor signaling in AMPH-induced sensitization during juvenile and adolescent periods. It is demonstrated that repeated exposure to AMPH during these early periods differentially regulates DCC expression in the VTA, in comparison to during adulthood. Significantly, it is also shown that the "protective" phenotype of adult dcc +/- mice is not present before adolescence, and in fact, is abolished when these mice are treated with AMPH during the juvenile, but not adolescent, period. Because DCC heterozygosity has recently been identified in the human population, these results may be relevant to the debate about stimulant use in children. Collectively, the findings reported in this Thesis are the first to demonstrate a function of DCC/netrin-1 signaling in the adult brain. DCC/netrin-1 receptor signaling may be a key factor in determining individual differences in vulnerability to drug abuse at different ages.La nétrine-1, une molécule de guidage axonale, et ses récepteurs, DCC et UNC5H, contribuent à l'organisation et à la fonction des circuit dopaminergiques mésocorticolimbiques pendant le développement cérébral. Fait intéressant, la nétrine-1 et ses récepteurs continuent à s'exprimer dans les régions du corps cellulaire et des terminaisons nerveuses de la dopamine mésocorticolimbique tout au long de la vie, malgré un changement radical du ratio de l'expression des récepteurs DCC:UNC5H par les neurones de la dopamine mésocorticolimbique dans l'aire tegmentale ventrale (ATV), la région somato-dendritique de la dopamine mésocorticolimbique, à l'adolescence. Ceci suggère que la signalisation induite par la nétrine-1 est impliquée dans la plasticité du circuit dopaminergique mésocorticolimbique tout au long de la vie. En effet, la sensibilisation à l'amphétamine (AMPH), une drogue stimulante, provoque une augmentation considérable du niveau d'expression de DCC chez les rats d'âge adulte. Cette augmentation, qui depend de la « transmission » glutaminergique, est propre à l'ATV, une zone cruciale pour l'initiation de la plasticité comportementale en réponse à l'abus de drogues stimulantes. En outre, les souris adultes hétérozygotes (+/-) pour le gène encodant DCC sont « prémunies » contre les effets de la sensibilisation comportementale en réponse à l'administration répétée d'AMPH. Les objectifs de cette thèse comportaient deux volets : en premier lieu, le but était de déterminer si la signalisation induite par la nétrine-1 dans l'ATV joue un rôle fonctionnel dans la sensibilisation en réponse à l'AMPH à l'âge adulte. À l'aide d'une combinaison de techniques comportementales et moléculaires, il est démontré que le manque de sensibilisation en réponse à l'AMPH chez les souris adultes +/- pour le gène encodant dcc est lié à l'incapacité de l'AMPH d'augmenter le niveau d'expression du récepteur DCC et de provoquer la plasticité dendritique dans l'ATV. Dans des expériences parallèles menées chez des rats adultes, il est montré que l'activation du récepteur DCC dans l'ATV au moment du prétraitement à l'AMPH est cruciale pour la sensibilisation à l'AMPH. Ces données décrivent la signalisation par le récepteur DCC de l'AVT comme nouveau mécanisme dans les séries de processus cellulaires nécessitant la présence de glutamate qui mènent à une plasticité durable avec l'usage de drogues stimulantes à l'âge adulte. Toutefois, il a été démontré que les effets de la signalisation par DCC/nétrine-1 sur la fonction du système dopaminergique mésocorticolimbique changent durant le développement cérébral, et que l'adolescence est une période cruciale dans cette interaction entre la nétrine-1 et le système dopaminergique mésocorticolimbique. Par conséquent, le deuxième volet de cette thèse visait à commencer l'étude du rôle de la signalisation des récepteurs pour la nétrine-1 dans la sensibilisation en réponse à l'AMPH pendant les périodes juvéniles et adolescentes. Il est démontré que l'exposition répétée à l'AMPH lors de ces périodes d'âge précoce régule de manière différente l'expression du DCC dans l'ATV, comparativement à la période de l'âge adulte. De manière significative, il est également démontré que le phénotype « protecteur » des souris adultes +/- pour le gène encodant dcc est absent avant l'adolescence, et en fait, disparaît lorsque ces souris sont soumises à des traitements d'AMPH lors de la période juvénile, contrairement à la période adolescente. Étant donné que l'hétérozygosité DCC a été récemment identifiée chez l'être humain, ces résultats peuvent être pertinents au débat sur les implications de l'usage de stimulants chez les enfants. Globalement, les résultats présentés dans cette thèse démontrent pour la première fois que la signalisation par DCC/nétrine-1 joue un rôle dans le cerveau adulte