The abuse of psychoactive ‘bath salts’ containing cathinones such as 3,4-methylenedioxypyrovalerone (MDPV) is a growing public health concern, yet little is known about their pharmacology. Here, we evaluated the effects of MDPV and related drugs using molecular, cellular, and whole-animal methods. In vitro transporter assays were performed in rat brain synaptosomes and in cells expressing human transporters, while clearance of endogenous dopamine was measured by fast-scan cyclic voltammetry in mouse striatal slices. Assessments of in vivo neurochemistry, locomotor activity, and cardiovascular parameters were carried out in rats. We found that MDPV blocks uptake of [3H]dopamine (IC50=4.1 nM) and [3H]norepinephrine (IC50=26 nM) with high potency but has weak effects on uptake of [3H]serotonin (IC50=3349 nM). In contrast to other psychoactive cathinones (eg, mephedrone), MDPV is not a transporter substrate. The clearance of endogenous dopamine is inhibited by MDPV and cocaine in a similar manner, but MDPV displays greater potency and efficacy. Consistent with in vitro findings, MDPV (0.1–0.3 mg/kg, intravenous) increases extracellular concentrations of dopamine in the nucleus accumbens. Additionally, MDPV (0.1–3.0 mg/kg, subcutaneous) is at least 10 times more potent than cocaine at producing locomotor activation, tachycardia, and hypertension in rats. Our data show that MDPV is a monoamine transporter blocker with increased potency and selectivity for catecholamines when compared with cocaine. The robust stimulation of dopamine transmission by MDPV predicts serious potential for abuse and may provide a mechanism to explain the adverse effects observed in humans taking high doses of ‘bath salts’ preparations.

Abstract Dopamine (DA) is required for movement, sleep, and reward, and DA signaling is tightly controlled by the presynaptic DA transporter (DAT). Therapeutic and addictive psychostimulants, including methylphenidate (Ritalin; MPH), cocaine, and amphetamine (AMPH), markedly elevate extracellular DA via their actions as competitive DAT inhibitors (MPH, cocaine) and substrates (AMPH). DAT silencing in mice and invertebrates results in hyperactivity, reduced sleep, and blunted psychostimulant responses, highlighting DAT’s essential role in DA-dependent behaviors. DAT surface expression is not static; rather it is dynamically regulated by endocytic trafficking. PKC-stimulated DAT endocytosis requires the neuronal GTPase, Rit2, and Rit2 silencing in mouse DA neurons impacts psychostimulant sensitivity. However, it is unknown whether or not Rit2-mediated changes in psychostimulant sensitivity are DAT-dependent. Here, we leveraged Drosophila melanogaster to test whether the Drosophila Rit2 ortholog, Ric, impacts dDAT function, trafficking, and DA-dependent behaviors. Orthologous to hDAT and Rit2, dDAT and Ric directly interact, and the constitutively active Ric mutant Q117L increased dDAT surface levels and function in cell lines and ex vivo Drosophila brains. Moreover, DAergic RicQ117L expression caused sleep fragmentation in a DAT-dependent manner but had no effect on total sleep and daily locomotor activity. Importantly, we found that Rit2 is required for AMPH-stimulated DAT internalization in mouse striatum, and that DAergic RicQ117L expression significantly increased Drosophila AMPH sensitivity in a DAT-dependent manner, suggesting a conserved impact of Ric-dependent DAT trafficking on AMPH sensitivity. These studies support that the DAT/Rit2 interaction impacts both baseline behaviors and AMPH sensitivity, potentially by regulating DAT trafficking.

Abstract The concentrative power of the transporters for dopamine (DAT), norepinephrine (NET) and serotonin (SERT) is thought to be fueled by the transmembrane Na + gradient, but it is conceivable that they can also tap other energy sources, e.g. membrane voltage and/or the transmembrane K + gradient. We address this by recording uptake of endogenous substrates or the fluorescent substrate APP + ((4-(4-dimethylamino)phenyl-1-methylpyridinium) under voltage control in cells expressing DAT, NET or SERT. We show that DAT and NET differ from SERT in intracellular handling of K + . In DAT and NET, substrate uptake was voltage-dependent due to the transient nature of intracellular K + binding, which precluded K + antiport. SERT, however, antiports K + and achieves voltage-independent transport. Thus, there is a trade-off between maintaining constant uptake and harvesting membrane potential for concentrative power, which we conclude to occur due to subtle differences in the kinetics of co-substrate ion binding in closely related transporters.

Betaine is an endogenous osmolyte that exhibits therapeutic potential by mitigating various neurological disorders. However, the underlying cellular and molecular mechanisms responsible for its neuroprotective effects remain puzzling.In this study, we describe a possible mechanism behind the positive impact of betaine in preserving neurons from excitotoxicity. Here we demonstrate that betaine at low concentration modulates the GABA uptake by GAT1 (slc6a1), the predominant GABA transporter in the central nervous system. This modulation occurs through the temporal inhibition of the transporter, wherein prolonged occupancy by betaine impedes the swift transition of the transporter to the inward conformation. Importantly, the modulatory effect of betaine on GAT1 is reversible, as the blocking of GAT1 disappears with increased extracellular GABA. Using electrophysiology, mass spectroscopy, radiolabelled cellular assay, and molecular dynamics simulation we demonstrate that betaine has a dual role in GAT1: at mM concentration acts as a slow substrate, and at µM as a temporal blocker of GABA, when it is below its K

Abstract Organic cation transporters (OCTs) facilitate the translocation of catecholamines and xenobiotics across the plasma membrane in various tissues throughout the human body. OCT3 plays a key role in low-affinity, high-capacity uptake of monoamines in most tissues including heart, brain and liver. Its deregulation plays a role in diseases. Despite its importance, the structural basis of OCT3 function and its inhibition has remained enigmatic. Here we describe the cryo-EM structure of human OCT3 at 3.2 Å resolution. Structures of OCT3 bound to two inhibitors, corticosterone and decynium-22, define the ligand binding pocket and reveal common features of major facilitator transporter inhibitors. In addition, we relate the functional characteristics of an extensive collection of previously uncharacterized human genetic variants to structural features, thereby providing a basis for understanding the impact of OCT3 polymorphisms.

Abstract 3,4-Methylenedioxymethamphetamine (MDMA, ‘ ecstasy’ ) is re-emerging in clinical settings as a candidate for the treatment of specific psychiatric disorders (e.g. post-traumatic stress disorder) in combination with psychotherapy. MDMA is a psychoactive drug, typically regarded as an empathogen or entactogen, which leads to transporter-mediated monoamine release. Despite its therapeutic potential, MDMA can induce dose-, individual-, and context-dependent untoward effects outside safe settings. In this study, we investigated whether three new methylenedioxy bioisosteres of MDMA improve its off-target profile. In vitro methods included radiotracer assays, transporter electrophysiology, bioluminescence resonance energy transfer and fluorescence-based assays, pooled human liver microsome/S9 fraction incubation with isozyme mapping, and liquid chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry. In silico methods included molecular docking. Compared with MDMA, all three MDMA bioisosteres (ODMA, TDMA, and SeDMA) showed similar pharmacological activity at human serotonin and dopamine transporters (hSERT and hDAT, respectively) but decreased activity at 5-HT 2A/2B/2C receptors. Regarding their hepatic metabolism, they differed from MDMA, with N -demethylation being the only metabolic route shared, and without forming phase II metabolites. Additional screening for their interaction with human organic cation transporters (hOCTs) and plasma membrane transporter (hPMAT) revealed a weaker interaction of the MDMA analogs with hOCT1, hOCT2, and hPMAT. Our findings suggest that these new MDMA analogs might constitute appealing therapeutic alternatives to MDMA, sparing the primary pharmacological activity at hSERT and hDAT, but displaying a reduced activity at 5-HT 2A/2B/2C receptors and reduced hepatic metabolism. Whether these MDMA bioisosteres may pose lower risk alternatives to the clinically re-emerging MDMA warrants further studies.

Abstract The dopamine transporter (DAT) retrieves dopamine into presynaptic terminals after synaptic release. The concentrative power of DAT is thought to be fueled by the transmembrane Na + gradient, but it is conceivable that DAT can also rely on other energy sources, e.g. membrane voltage and/or the K + gradient. Here, we recorded uptake of dopamine or the fluorescent substrate APP + ((4-(4-dimethylamino)phenyl-1-methylpyridinium) in DAT-expressing cells under voltage control. We show that DAT differs substantially from the closely related serotonin transporter (SERT): substrate uptake by DAT was voltage-dependent, intracellular K + binding to DAT was electrogenic but transient in nature thus precluding antiport of K + by DAT. There is a trade-off between maintaining constant uptake and harvesting membrane potential for concentrative power. Based on our observations, we conclude that subtle differences in the kinetics of co-substrate ion binding allow closely related transporters to select between voltage-independent uptake and high concentrative power.

Following its evoked release, DA signaling is rapidly terminated by presynaptic reuptake, mediated by the cocaine-sensitive DAT. DAT surface availability is dynamically regulated by endocytic trafficking, and direct PKC activation acutely diminishes DAT surface expression by accelerating DAT internalization. Previous cell line studies demonstrated that PKC-stimulated DAT endocytosis requires both Ack1 inactivation, which releases a DAT-specific endocytic brake, and the neuronal GTPase, Rit2, which binds DAT. However, it is unknown whether Rit2 is required for PKC-stimulated DAT endocytosis in DAergic terminals, or whether there are region- and/or sex-dependent differences in PKC-stimulated DAT trafficking. Moreover, the mechanisms by which Rit2 controls PKC-stimulated DAT endocytosis are unknown. Here, we directly examined these important questions. Ex vivo studies revealed that PKC activation acutely decreased DAT surface expression selectively in ventral, but not dorsal, striatum. AAV-mediated, conditional Rit2 knockdown in DAergic neurons impacted baseline DAT surface:intracellular distribution in DAergic terminals from female ventral, but not dorsal, striatum. Further, Rit2 was required for PKC-stimulated DAT internalization in both male and female ventral striatum. FRET and surface pulldown studies in cell lines revealed that PKC activation drives DAT-Rit2 surface dissociation, and that the DAT N-terminus is required for both PKC-mediated DAT-Rit2 dissociation and DAT internalization. Finally, we found that Rit2 and Ack1 independently converge on DAT to facilitate PKC-stimulated DAT endocytosis. Together, our data provide greater insight into mechanisms that mediate PKC-regulated DAT internalization, and reveal unexpected region-specific differences in PKC-stimulated DAT trafficking in bona fide DAergic terminals.* (DA) : Dopamine (DAT) : DA transporters (PKC) : protein kinase C (ADHD) : attention-deficit/hyperactivity disorder (ASD) : autism spectrum disorder (PD) : Parkinson’s disease (AMPH) : amphetamine (co-IP) : co-immunoprecipitation (VTA) : ventral tegmental area (SNc) : substantia nigra pars compacta (DS) : dorsal striatum (VS) : ventral striatum (BBS) : bungarotoxin-binding site (α-BTX-b) : biotinylated α-bungarotoxin.

The human GABA transporter (GAT1) is a membrane transporter that mediates the reuptake of the neurotransmitter GABA from the synaptic cleft into neurons and glial cells. Dysregulation of the transport cycle has been associated with epilepsy and neuropsychiatric disorders, highlighting the crucial role of the transporter in maintaining homeostasis of brain GABA levels. GAT1 is a secondary active transporter that couples the movement of substrate to the simultaneous transport of sodium and chloride ions along their electrochemical gradients. Using MD simulations, we identified a novel sodium recruiting site at the entrance to the outer vestibule, which attracts positively charged ions and increases the local sodium concentration, thereby indirectly increasing sodium affinity. Mutations of negatively charged residues at the recruiting site slowed the binding kinetics, while experimental data revealed a change in sodium dependency of GABA uptake and a reduction of sodium affinity. Simulation showed that sodium displays a higher affinity for the sodium binding site NA2, which plays a role in the stabilisation of the outward-open conformation. We directly show that the presence of a sodium ion bound to NA2 increases the stability of the closed inner gate and restrains motions of TM5. We find that sodium is only weakly bound to NA1 in the absence of GABA, while the presence of the substrate strengthens the interaction due to the completed ion coordinating shell, explaining cooperativity of between GABA and sodium.