L’implication de la sérotonine dans le contrôle des états de vigilance revisitée par l’étude de souris invalidées

Contribution of the “knock-out” technology to understand the role of serotonin in sleep regulations

INSERM U288, 91, Bd de l’Hôpital, 75013 Paris. e-mail: adrien@ext.jussieu.fr

Résumé

La manipulation génétique du système sérotoninergique induit des altérations de la neurotransmission sérotoninergique, et fournit des nouvelles voies d’approche pour l’étude du rôle de la sérotonine dans la régulation des états de vigilance. Cette stratégie représente une alternative à l’utilisation d’outils pharmacologiques ainsi qu’à celle de lésions localisées du système sérotoninergique qui ont été, depuis les années 1960 jusqu’à récemment, les principales méthodes d’étude ce ces questions.

Chez les mutants qui n’expriment pas les récepteurs 5-HT_1A ou 5-HT_1B (5-HT_1A-/- ou 5-HT_1B-/-) ou le transporteur de la sérotonine (5-HTT-/-), on observe davantage de sommeil paradoxal que chez les souris « sauvages » de référence. La même augmentation est induite chez les « sauvages » par le blocage pharmacologique des récepteurs 5-HT_1A ou 5-HT_1B, mais pas du transporteur. La sérotonine exerce donc une inhibition tonique du sommeil paradoxal par l’intermédiaire de ces deux types de récepteurs. De plus, les mutants 5-HT_1A-/- et 5-HT_1B-/- présentent, par rapport aux souris « sauvages », une plus forte réduction du sommeil en réponse à l’activation du récepteur non invalidé, notamment le type 5-HT_1B chez les mutants 5-HT_1A-/- et vice versa, ce qui suggère le développement de modifications adaptatives de la neurotransmission sérotoninergique chez les animaux knock-out. Quant à l’augmentation du sommeil paradoxal chez les 5-HTT-/-, elle pourrait s’expliquer, au moins en partie, par la désensibilisation des récepteurs 5-HT_1A et 5-HT_1B chez ces mutants.

Au contraire, les mutants de la monoamine oxydase A (MAOA-/-) présentent une diminution des taux de sommeil paradoxal, un effet observé également après inhibition pharmacologique de la MAO.

Enfin les souris qui n’expriment pas le récepteur 5- HT_2A présentent plus d’éveil et moins de sommeil lent que leurs témoins. Cet effet n’est pas reproduit par le blocage pharmacologique des récepteurs 5-HT_2A, puisque celui-ci entraîne au contraire une augmentation du sommeil lent profond chez les souris «sauvages ».

En conclusion, un certain nombre de phénomènes adaptatifs concernant d’autres protéines que celles impliquées dans la manipulation génétique se développent chez les mutants constitutifs. Ces phénomènes rendent délicate l’interprétation des résultats concernant le phénotype « sommeil ». Les knock-out inductibles permettront de résoudre ces difficultés, mais d’ores et déjà l’utilisation des ligands des récepteurs, couplée à la technique d’invalidation génique, représentent des outils puissants pour l’étude du rôle du système sérotoninergique dans la régulation des états de vigilance.

Abstract

Genetic manipulation of the 5-HT system leads to alterations of 5-HT neurotransmission and provides new opportunities to investigate the role of 5-HT in sleep regulations. Indeed, it represents an alternative to the use of pharmacological tools and, to some extent, of localized lesions of the 5-HT system, which have been, from the 1960s until recently, the main approaches to investigate this question. Homologous recombination knocking-out genes encoding various proteins involved in 5-HT neurotransmission in the mouse has recently allowed further assesment of the role of the serotonin transporter (5-HTT), the monoamine oxidase A (MAO-A), and the 5-HT_1A, 5-HT_1B and 5-HT_2A receptors in the regulation of sleep.

In 5-HT_1A-/- and 5-HT_1B-/- knock-out mice, Rapid Eye Movement sleep (REMs) was enhanced. Pharmacological blockade of these receptors had the same effects in wild-types. Thus, both receptor types exert a tonic inhibitory influence on REMs. In addition, 5-HT_1A-/- and 5-HT_1B-/- mutants were hypersensitive to 5-HT_1B and 5-HT_1A receptor agonists, respectively, which suggests that adaptive changes at 5-HT neurotransmission develop in knock-out animals.

In the same manner, 5-HTT-/- knock-out mice exhibited increased REMs. This may be accounted for by a decrease in 5-HT_1A and 5-HT_1B receptor-mediated sleep regulations.

In contrast, decreased REMs was observed in MAO-A-/- knock-outs, a phenomenon that mimics the effect of pharmacological MAO inhibition.

Finally, 5-HT_2A-/- and 5-HT_2C-/- mice exhibited more wakefulness and less slow wave sleep (SWS) than wild-types. These effects could not be reproduced by 5-HT_2A or 5-HT_2C receptor blockade in wild-types.

To conclude, constitutive knock-outs undergo adaptive processes involving other proteins than those encoded by the invalidated gene, which renders interpretation of the corresponding sleep phenotype difficult. Inducible knock-outs will probably help to overcome this difficulty. Finally, combination of genetic manipulations with relevant pharmacological ones should allow further progress in the understanding of sleep mechanisms.