The striatum, which is the major component of the basal ganglia in the brain, is regulated in part by dopaminergic input from the substantia nigra. Severe movement disorders result from the loss of striatal dopamine in patients with Parkinson's disease. Rats with lesions of the nigrostriatal dopamine pathway caused by 6-hydroxydopamine (6-OHDA) serve as a model for Parkinson's disease and show alterations in gene expression in the two major output systems of the striatum to the globus pallidus and substantia nigra. Striatopallidal neurons show a 6-OHDA-induced elevation in their specific expression of messenger RNAs (mRNAs) encoding the D 2 dopamine receptor and enkephalin, which is reversed by subsequent continuous treatment with the D 2 agonist quinpirole. Conversely, striatonigral neurons show a 6-OHDA-induced reduction in their specific expression of mRNAs encoding the D 1 dopamine receptor and substance P, which is reversed by subsequent daily injections of the D 1 agonist SKF-38393. This treatment also increases dynorphin mRNA in striatonigral neurons. Thus, the differential effects of dopamine on striatonigral and striatopallidal neurons are mediated by their specific expression of D 1 and D 2 dopamine receptor subtypes, respectively.

Atypical antipsychotic drugs have revolutionized the treatment of schizophrenia and related disorders. The current clinically approved atypical antipsychotic drugs are characterized by having relatively low affinities for D2-dopamine receptors and relatively high affinities for 5-HT2A serotonin receptors (5-HT, 5-hydroxytryptamine (serotonin)). Aripiprazole (OPC-14597) is a novel atypical antipsychotic drug that is reported to be a high-affinity D2-dopamine receptor partial agonist. We now provide a comprehensive pharmacological profile of aripiprazole at a large number of cloned G protein-coupled receptors, transporters, and ion channels. These data reveal a number of interesting and potentially important molecular targets for which aripiprazole has affinity. Aripiprazole has highest affinity for h5-HT2B-, hD2L-, and hD3-dopamine receptors, but also has significant affinity (5–30 nM) for several other 5-HT receptors (5-HT1A, 5-HT2A, 5-HT7), as well as α1A-adrenergic and hH1-histamine receptors. Aripiprazole has less affinity (30–200 nM) for other G protein-coupled receptors, including the 5-HT1D, 5-HT2C, α1B-, α2A-, α2B-, α2C-, β1-, and β2-adrenergic, and H3-histamine receptors. Functionally, aripiprazole is an inverse agonist at 5-HT2B receptors and displays partial agonist actions at 5-HT2A, 5-HT2C, D3, and D4 receptors. Interestingly, we also discovered that the functional actions of aripiprazole at cloned human D2-dopamine receptors are cell-type selective, and that a range of actions (eg agonism, partial agonism, antagonism) at cloned D2-dopamine receptors are possible depending upon the cell type and function examined. This mixture of functional actions at D2-dopamine receptors is consistent with the hypothesis proposed by Lawler et al (1999) that aripiprazole has 'functionally selective' actions. Taken together, our results support the hypothesis that the unique actions of aripiprazole in humans are likely a combination of 'functionally selective' activation of D2 (and possibly D3)-dopamine receptors, coupled with important interactions with selected other biogenic amine receptors—particularly 5-HT receptor subtypes (5-HT1A, 5-HT2A).

We have utilized the polymerase chain reaction technique to selectively amplify a G protein-coupled receptor cDNA from rat kidney proximal convoluted tubule mRNA, which exhibits high homology with previously cloned serotonin receptors. Sequencing of a full-length clone isolated from a rat hippocampal cDNA library revealed an open reading frame of 1,212 base pairs encoding a 404-residue protein with seven hydrophobic regions predicted to represent transmembrane-spanning domains. Within the transmembrane regions, this receptor was found to be 44-50% identical with various members of the 5-HT1, 5-HT5, and 5-HT6 subfamilies with lower (37-40%) homology to the 5-HT2-like receptors. Northern blots revealed a approximately 3.6-kilobase transcript localized in various brain regions with the following rank order of abundance: hypothalamus > hippocampus = mesencephalon > cerebral cortex = olfactory bulb > olfactory tubercle. Expression of this clone in COS-7 cells resulted in the appearance of high affinity, saturable binding of [3H]lysergic acid diethylamide ([3H]LSD; KD = 5 nM) and [3H]serotonin ([3H]5-HT; KD = 1 nM). Among endogenous biogenic amines, only 5-HT completely inhibited radioligand binding. The inhibition of radioligand binding by other serotonergic agents revealed a pharmacological profile that does not correlate with any previously described serotonin receptor subtype. In addition, this receptor exhibits high affinity for a number of tricyclic antipsychotic and antidepressant drugs including clozapine, loxapine, and amitriptyline. In HEK-293 cells stably transfected with this receptor, serotonin elicits a potent stimulation of adenylylcyclase activity. The distinct structural and pharmacological properties of this receptor suggests that it represents a completely novel serotonin receptor subtype, which we propose to designate 5-HT7. Based on its pharmacology and its localization to limbic and cortical regions of the brain, it is likely that this receptor may play a role in several neuropsychiatric disorders that involve serotonergic systems.

While most effects of dopamine in the brain are mediated by the D1 and D2 receptor subtypes, other members of this G protein-coupled receptor family have potentially important functions. D3 receptors belong to the D2-like subclass of dopamine receptors, activation of which inhibits adenylyl cyclase. Using targeted mutagenesis in mouse embryonic stem cells, we have generated mice lacking functional D3 receptors. A premature chain-termination mutation was introduced in the D3 receptor gene after residue Arg-148 in the second intracellular loop of the predicted protein sequence. Binding of the dopamine antagonist [125I]iodosulpride to D3 receptors was absent in mice homozygous for the mutation and greatly reduced in heterozygous mice. Behavioral analysis of mutant mice showed that this mutation is associated with hyperactivity in an exploratory test. Homozygous mice lacking D3 receptors display increased locomotor activity and rearing behavior. Mice heterozygous for the D3 receptor mutation show similar, albeit less pronounced, behavioral alterations. Our findings indicate that D3 receptors play an inhibitory role in the control of certain behaviors.

In order to clone the D1 dopamine receptor linked to adenylyl cyclase activation, the polymerase chain reaction was used with highly degenerate primers to selectively amplify a cDNA sequence from NS20Y neuroblastoma cell mRNA. This amplification produced a cDNA fragment exhibiting considerable sequence homology to guanine nucleotide-binding (G)-protein-coupled receptors that have been cloned previously. To characterize this cDNA further, a full-length clone was isolated from a rat striatal library by using the cDNA fragment as a probe. Sequence analysis of this cDNA clone indicated that it is indeed a member of the G-protein-coupled receptor family and exhibits greatest homology with the previously cloned catecholamine receptors. Northern blot analysis of various neural tissues revealed a transcript of approximately 4 kb that was predominantly located in the striatum with lesser amounts in the cortex and retina. In contrast, no mRNA was detected in the cerebellum, hippocampus, olfactory bulb, mesencephalon, or pituitary. In situ hybridization analysis also revealed a high abundance of mRNA in the striatum as well as in the olfactory tubercle. To establish the identity of this cDNA, we performed transient expression experiments in COS-7 cells. [3H]SCH-23390, a D1-selective radioligand, exhibited specific, saturable binding only in cells that were transfected with this cDNA. Competition binding analysis with a variety of dopaminergic ligands demonstrated a D1 dopaminergic pharmacology. In addition, dopamine as well as other D1-selective agonists stimulated cAMP accumulation in transfected COS-7 cells. We conclude that we have cloned a cDNA encoding the D1 dopamine receptor linked to the activation of adenylyl cyclase activity.

OPC-14597 {aripiprazole; 7-(4-(4-(2,3-dichlorophenyl)-1-piperazinyl)butyloxy)-3,4-dihydro-2(1H)-quinolinone} is a novel candidate antipsychotic that has high affinity for striatal dopamine D2-like receptors, but causes few extrapyramidal effects. These studies characterized the molecular pharmacology of OPC-14597, DM-1451 (its major rodent metabolite), and the related quinolinone derivative OPC-4392 at each of the cloned dopamine receptors, and at serotonin 5HT6 and 5HT7 receptors. All three compounds exhibited highest affinity for D2L and D2S receptors relative to the other cloned receptors examined. Both OPC-4392 and OPC-14597 demonstrated dual agonist/antagonist actions at D2L receptors, although the metabolite DM-1451 behaved as a pure antagonist. These data suggest that clinical atypicality can occur with drugs that exhibit selectivity for D2L/D2S rather than D3 or D4 receptors, and raise the possibility that the unusual profile of OPC-14597 in vivo (presynaptic agonist and postsynaptic antagonist) may reflect different functional consequences of this compound interacting with a single dopamine receptor subtype (D2) in distinct cellular locales.

Abstract Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs (DREADDs) are a popular chemogenetic technology for manipulation of neuronal activity in uninstrumented awake animals with potential for precision medicine-based clinical theranostics. DREADD ligands developed to date are not appropriate for such translational applications. The prototypical DREADD agonist clozapine N-oxide (CNO) lacks brain entry and converts to clozapine. The second-generation DREADD agonist, Compound 21 (C21), was developed to overcome these limitations. We found that C21 has low brain penetrance, weak affinity, and low in vivo DREADD occupancy. To address these drawbacks, we developed two new DREADD agonists, JHU37152 and JHU37160, and the first dedicated positron emission tomography (PET) DREADD radiotracer, [ 18 F]JHU37107. JHU37152 and JHU37160 exhibit high in vivo DREADD potency. [ 18 F]JHU37107 combined with PET allows for DREADD detection in locally-targeted neurons and at their long-range projections, enabling for the first time, noninvasive and longitudinal neuronal projection mapping and potential for neurotheranostic applications.