Summary Transmission from striatal cholinergic interneurons (CINs) controls dopamine release through nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) on dopaminergic axons. Anatomical studies suggest that cholinergic terminals signal predominantly through non-synaptic volume transmission. However, the influence of cholinergic transmission on electrical signaling in axons remains unclear. We examined axo-axonal transmission from CINs onto dopaminergic axons using perforated-patch recordings which revealed rapid spontaneous EPSPs with properties characteristic of fast synapses. Pharmacology showed that axonal EPSPs (axEPSPs) were mediated primarily by high-affinity α6-containing receptors. Remarkably, axEPSPs triggered spontaneous action potentials locally in dopaminergic axons, suggesting these axons perform integration to convert synaptic input into spiking, a function associated with somatodendritic compartments. We investigated cross-species validity of cholinergic axo-axonal transmission by recording dopaminergic axons in macaque putamen and found similar axEPSPs. Thus, we reveal that fast synaptic-like neurotransmission underlies cholinergic signaling onto dopaminergic axons, providing insight into how nicotinic receptors shape electrical signaling directly in axon terminals.

Abstract Missense mutations that give rise to protein misfolding are rare, but collectively, defective protein folding diseases are consequential. Folding deficiencies are amenable to pharmacological correction (pharmacochaperoning), but the underlying mechanisms remain enigmatic. Ibogaine and its active metabolite noribogaine correct folding defects in the dopamine transporter (DAT), but they rescue only a very limited number of folding-deficient DAT mutants, which give rise to infantile Parkinsonism and dystonia. Herein, a series of analogs was generated by reconfiguring the complex ibogaine ring system and exploring the structural requirements for binding to wild type transporters, and for rescuing two equivalent synthetic folding-deficient mutants, SERT-PG 601,602 AA and DAT-PG 584,585 AA. The most active tropane-based analog ( 9b ) was also an effective pharmacochaperone in vivo , in Drosophila harboring DAT-PG 584,585 AA and rescued six out of 13 disease-associated human DAT mutants in vitro. Hence, a novel lead pharmacochaperone has been identified that demonstrates medication development potential for patients harboring DAT mutants.

Abstract Chronic psychostimulant use can cause long lasting changes to neural and cognitive function that persist even after long periods of abstinence. As cocaine users transition from drug use to abstinence, a parallel transition from hyperactivity to hypoactivity has been found in orbitofrontal-striatal glucose metabolism, and striatal D2/D3 receptor activity. Targeting these changes pharmacologically, using highly selective dopamine D3 receptor (D 3 R) antagonists and partial agonists, has shown significant promise in reducing drug-taking, and attenuating relapse in animal models of cocaine and opioid use disorder. However, much less attention has been focused on treating inflexible and potentially maladaptive non-drug behaviors following chronic psychostimulant use. Here we tested the selective D 3 R antagonist VK4-116 as a treatment for the long-term behavioral inflexibility in abstinent male and female rats with a prior history of chronic cocaine use. Rats were first trained to self-administer cocaine (0.75 mg/kg/reinforcer) or a sucrose liquid (10%, .04 mL/reinforcer) for 2 weeks (FR1 schedule, max 60 reinforcers in 3 hrs/ day), followed by 4 weeks of abstinence. Cognitive and behavioral flexibilities were then assessed using a sensory preconditioning (SPC) learning paradigm. Rats were given an VK4-116 (15 mg/kg, i.p.) or vehicle 30 mins prior to each SPC training session, thus creating four drug-treatment groups: sucrose-vehicle, sucrose-VK4-116, cocaine-vehicle, cocaine-VK4-116. The control groups (sucrose-vehicle, sucrose-VK4-116) demonstrated significant evidence of flexible SPC behavior, whereas cocaine use (cocaine-vehicle) disrupted SPC behavior. Remarkably, the D 3 R antagonist VK4-116 mitigated this cocaine deficit in the cocaine-VK4-116 group, demonstrating flexible SPC to levels comparable to the control groups. These preclinical findings demonstrate that highly selective dopamine D 3 R antagonists, particularly VK4-116, show significant promise as a pharmacological treatment for the long-term negative behavioral consequences of cocaine use disorder.

Abstract Modafinil analogs with either a sulfoxide or sulfide moiety have improved binding affinities at the human dopamine transporter (hDAT) compared to modafinil, with lead sulfoxide-substituted analogs showing characteristics of atypical inhibition (e.g., JJC8-091). Interestingly, the only distinction between sulfoxide and sulfide substitution is the presence of one additional oxygen atom. To elucidate why such a subtle difference in ligand structure can result in different typical or atypical profiles, we investigated two pairs of analogs. Our quantum mechanical calculations revealed a more negatively charged distribution of electrostatic potential surface of the sulfoxide substitution. Using molecular dynamics simulations, we demonstrated that sulfoxide-substituted modafinil analogs have a propensity to attract more water into the binding pocket. They also exhibited a tendency to dissociate from Asp79 and form a new interaction with Asp421, consequently promoting an inward-facing conformation of DAT. In contrast, sulfide-substituted analogs did not display these effects. These findings deepen our understanding of the functionally relevant conformational spectrum of DAT.