The mechanism by which psychostimulants act as calming agents in humans with attention-deficit hyperactivity disorder (ADHD) or hyperkinetic disorder is currently unknown. Mice lacking the gene encoding the plasma membrane dopamine transporter (DAT) have elevated dopaminergic tone and are hyperactive. This activity was exacerbated by exposure to a novel environment. Additionally, these mice were impaired in spatial cognitive function, and they showed a decrease in locomotion in response to psychostimulants. This paradoxical calming effect of psychostimulants depended on serotonergic neurotransmission. The parallels between the DAT knockout mice and individuals with ADHD suggest that common mechanisms may underlie some of their behaviors and responses to psychostimulants.

Obsessive-compulsive disorder (OCD) is an anxiety-spectrum disorder characterized by persistent intrusive thoughts (obsessions) and repetitive actions (compulsions). Dysfunction of cortico-striato-thalamo-cortical circuitry is implicated in OCD, although the underlying pathogenic mechanisms are unknown. SAP90/PSD95-associated protein 3 (SAPAP3; also known as DLGAP3) is a postsynaptic scaffolding protein at excitatory synapses that is highly expressed in the striatum. Here we show that mice with genetic deletion of Sapap3 exhibit increased anxiety and compulsive grooming behaviour leading to facial hair loss and skin lesions; both behaviours are alleviated by a selective serotonin reuptake inhibitor. Electrophysiological, structural and biochemical studies of Sapap3-mutant mice reveal defects in cortico-striatal synapses. Furthermore, lentiviral-mediated selective expression of Sapap3 in the striatum rescues the synaptic and behavioural defects of Sapap3-mutant mice. These findings demonstrate a critical role for SAPAP3 at cortico-striatal synapses and emphasize the importance of cortico-striatal circuitry in OCD-like behaviours. The underlying neurobiology of obsessive-compulsive disorder is largely unknown, although disruptions in corticostriatal circuits are suspected. For many medical conditions, mouse models provide a means of examining pathogenesis and drug testing. Surprisingly, that option is now available for obsessive-compulsive disorder too. Targeted deletion of SAPAP3, a postsynaptic scaffolding protein highly expressed in the striatum, yields mice with many of the behavioural characteristics of obsessive-compulsive disorder: they compulsively self-groom, display anxiety, and have abnormal corticostriatal physiology. The behavioural signs are alleviated by selective serotonin reuptake inhibitors, drugs used to treat obsessive-compulsive disorder. Targeted deletion of SAPAP3, a postsynaptic scaffolding protein expressed in the striatum, yields a behavioral phenotype with many characteristics of obsessive compulsive disorder (OCD). SAPAP3−/− mice compulsively overgroom themselves and are unusually anxious. Behavioral symptoms are alleviated by SSRIs, and both behaviour and physiological abnormalities are rescued by lentiviral-mediated expression of SAPAP3 in the striatum.

The clinical efficacy and safety of a drug is determined by its activity profile across many proteins in the proteome. However, designing drugs with a specific multi-target profile is both complex and difficult. Therefore methods to design drugs rationally a priori against profiles of several proteins would have immense value in drug discovery. Here we describe a new approach for the automated design of ligands against profiles of multiple drug targets. The method is demonstrated by the evolution of an approved acetylcholinesterase inhibitor drug into brain-penetrable ligands with either specific polypharmacology or exquisite selectivity profiles for G-protein-coupled receptors. Overall, 800 ligand–target predictions of prospectively designed ligands were tested experimentally, of which 75% were confirmed to be correct. We also demonstrate target engagement in vivo. The approach can be a useful source of drug leads when multi-target profiles are required to achieve either selectivity over other drug targets or a desired polypharmacology. An automated approach designing drug ligands to multi-target profiles (with a 75% prediction success rate) is experimentally validated by the invention of novel ligands tailored to the complex and physiologically-relevant goal of identifying drugs that can specifically target profiles of multiple proteins. This paper describes a new approach to the problem of designing drugs that interact with multiple targets, which may be desirable either to achieve exquisite selectivity over other drug targets, or to obtain a drug with a particular polypharmacological profile. The authors have developed an automated, adaptive design approach to the generation of analogues and prioritizing them against a set of objectives. They tested experimentally 800 ligand–target predictions of prospectively designed ligands; 75% were confirmed correct, and the predicted target engagement was confirmed in vivo.

SHANK3 is a synaptic scaffolding protein enriched in the postsynaptic density (PSD) of excitatory synapses. Small microdeletions and point mutations in SHANK3 have been identified in a small subgroup of individuals with autism spectrum disorder (ASD) and intellectual disability. SHANK3 also plays a key role in the chromosome 22q13.3 microdeletion syndrome (Phelan–McDermid syndrome), which includes ASD and cognitive dysfunction as major clinical features. To evaluate the role of Shank3 in vivo , we disrupted major isoforms of the gene in mice by deleting exons 4–9. Isoform-specific Shank3 e4–9 homozygous mutant mice display abnormal social behaviors, communication patterns, repetitive behaviors and learning and memory. Shank3 e4–9 male mice display more severe impairments than females in motor coordination. Shank3 e4–9 mice have reduced levels of Homer1b/c, GKAP and GluA1 at the PSD, and show attenuated activity-dependent redistribution of GluA1-containing AMPA receptors. Subtle morphological alterations in dendritic spines are also observed. Although synaptic transmission is normal in CA1 hippocampus, long-term potentiation is deficient in Shank3 e4–9 mice. We conclude that loss of major Shank3 species produces biochemical, cellular and morphological changes, leading to behavioral abnormalities in mice that bear similarities to human ASD patients with SHANK3 mutations.

An essential component of regulated steroidogenesis is the translocation of cholesterol from the cytoplasm to the inner mitochondrial membrane where the cholesterol side-chain cleavage enzyme carries out the first committed step in steroidogenesis. Recent studies showed that a 30-kDa mitochondrial phosphoprotein, designated steroidogenic acute regulatory protein (StAR), is essential for this translocation. To allow us to explore the roles of StAR in a system amenable to experimental manipulation and to develop an animal model for the human disorder lipoid congenital adrenal hyperplasia (lipoid CAH), we used targeted gene disruption to produce StAR knockout mice. These StAR knockout mice were indistinguishable initially from wild-type littermates, except that males and females had female external genitalia. After birth, they failed to grow normally and died from adrenocortical insufficiency. Hormone assays confirmed severe defects in adrenal steroids—with loss of negative feedback regulation at hypothalamic–pituitary levels—whereas hormones constituting the gonadal axis did not differ significantly from levels in wild-type littermates. Histologically, the adrenal cortex of StAR knockout mice contained florid lipid deposits, with lesser deposits in the steroidogenic compartment of the testis and none in the ovary. The sex-specific differences in gonadal involvement support a two-stage model of the pathogenesis of StAR deficiency, with trophic hormone stimulation inducing progressive accumulation of lipids within the steroidogenic cells and ultimately causing their death. These StAR knockout mice provide a useful model system in which to determine the mechanisms of StAR’s essential roles in adrenocortical and gonadal steroidogenesis.

Dysregulation of brain serotonin (5-HT) neurotransmission is thought to underlie mental conditions as diverse as depression, anxiety disorders, bipolar disorder, autism, and schizophrenia. Despite treatment of these conditions with serotonergic drugs, the molecular mechanisms by which 5-HT is involved in the regulation of aberrant emotional behaviors are poorly understood. Here, we generated knockin mice expressing a mutant form of the brain 5-HT synthesis enzyme, tryptophan hydroxylase 2 (Tph2). This mutant is equivalent to a rare human variant (R441H) identified in few individuals with unipolar major depression. Expression of mutant Tph2 in mice results in markedly reduced (≈80%) brain 5-HT production and leads to behavioral abnormalities in tests assessing 5-HT-mediated emotional states. This reduction in brain 5-HT levels is accompanied by activation of glycogen synthase kinase 3β (GSK3β), a signaling molecule modulated by many psychiatric therapeutic agents. Importantly, inactivation of GSK3β in Tph2 knockin mice, using pharmacological or genetic approaches, alleviates the aberrant behaviors produced by 5-HT deficiency. These findings establish a critical role of Tph2 in the maintenance of brain serotonin homeostasis and identify GSK3β signaling as an important pathway through which brain 5-HT deficiency induces abnormal behaviors. Targeting GSK3β and related signaling events may afford therapeutic advantages for the management of certain 5-HT-related psychiatric conditions.

Besides their role in desensitization, beta-arrestin 1 and 2 promote the formation of signaling complexes allowing G protein-coupled receptors (GPCR) to signal independently from G proteins. Here we show that lithium, a pharmacological agent used for the management of psychiatric disorders such as bipolar disorder, schizophrenia, and depression, regulates Akt/glycogen synthase kinase 3 (GSK3) signaling and related behaviors in mice by disrupting a signaling complex composed of Akt, beta-arrestin 2, and protein phosphatase 2A. When administered to beta-arrestin 2 knockout mice, lithium fails to affect Akt/GSK3 signaling and induce behavioral changes associated with GSK3 inhibition as it does in normal animals. These results point toward a pharmacological approach to modulating GPCR function that affects the formation of beta-arrestin-mediated signaling complexes.

Elucidating the key signal transduction pathways essential for both antipsychotic efficacy and side-effect profiles is essential for developing safer and more effective therapies. Recent work has highlighted noncanonical modes of dopamine D 2 receptor (D 2 R) signaling via β-arrestins as being important for the therapeutic actions of both antipsychotic and antimanic agents. We thus sought to create unique D 2 R agonists that display signaling bias via β-arrestin–ergic signaling. Through a robust diversity-oriented modification of the scaffold represented by aripiprazole (1), we discovered UNC9975 (2), UNC0006 (3), and UNC9994 (4) as unprecedented β-arrestin–biased D 2 R ligands. These compounds also represent unprecedented β-arrestin–biased ligands for a G i -coupled G protein–coupled receptor (GPCR). Significantly, UNC9975, UNC0006, and UNC9994 are simultaneously antagonists of G i -regulated cAMP production and partial agonists for D 2 R/β-arrestin-2 interactions. Importantly, UNC9975 displayed potent antipsychotic-like activity without inducing motoric side effects in inbred C57BL/6 mice in vivo. Genetic deletion of β-arrestin-2 simultaneously attenuated the antipsychotic actions of UNC9975 and transformed it into a typical antipsychotic drug with a high propensity to induce catalepsy. Similarly, the antipsychotic-like activity displayed by UNC9994, an extremely β-arrestin–biased D 2 R agonist, in wild-type mice was completely abolished in β-arrestin-2 knockout mice. Taken together, our results suggest that β-arrestin signaling and recruitment can be simultaneously a significant contributor to antipsychotic efficacy and protective against motoric side effects. These functionally selective, β-arrestin–biased D 2 R ligands represent valuable chemical probes for further investigations of D 2 R signaling in health and disease.

Quetiapine is an atypical antipsychotic drug that is also US FDA approved for treating bipolar depression, albeit by an unknown mechanism. To discover the potential mechanism for this apparently unique action, we screened quetiapine, its metabolite N-Desalkylquetiapine, and dibenzo[b,f][1,4]thiazepine-11(10-H)-one (DBTO) against a large panel of G-protein–coupled receptors, ion channels, and neurotransmitter transporters. DBTO was inactive at all tested molecular targets. N-Desalkylquetiapine had a high affinity (3.4 nM) for the histamine H1 receptor and moderate affinities (10–100 nM) for the norepinephrine reuptake transporter (NET), the serotonin 5-HT1A, 5-HT1E, 5-HT2A, 5-HT2B, 5-HT7 receptors, the α1B-adrenergic receptor, and the M1, M3, and M5 muscarinic receptors. The compound had low affinities (100–1000 nM) for the 5-HT1D, 5-HT2C, 5-HT3, 5-HT5, 5-HT6, α1A, α2A, α2B, α2C, H2, M2, M4, and dopamine D1, D2, D3, and D4 receptors. N-Desalkylquetiapine potently inhibited human NE transporter with a Ki of 12 nM, about 100-fold more potent than quetiapine itself. N-Desalkylquetiapine was also 10-fold more potent and more efficacious than quetiapine at the 5-HT1A receptor. N-Desalkylquetiapine was an antagonist at 5-HT2A, 5-HT2B, 5-HT2C, α1A, α1D, α2A, α2C, H1, M1, M3, and M5 receptors. In the mouse tail suspension test, N-Desalkylquetiapine displayed potent antidepressant-like activity in VMAT2 heterozygous mice at doses as low as 0.1 mg/kg. These data strongly suggest that the antidepressant activity of quetiapine is mediated, at least in part, by its metabolite N-Desalkylquetiapine through NET inhibition and partial 5-HT1A agonism. Possible contributions of this metabolite to the side effects of quetiapine are discussed.