Summary

 The manifestations of Parkinson's disease are caused by reduced dopaminergic innervation of the striatum. Loss-of-function mutations in the DJ-1 gene cause early-onset familial parkinsonism. To investigate a possible role for DJ-1 in the dopaminergic system, we generated a mouse model bearing a germline disruption of DJ-1. Although DJ-1^−/− mice had normal numbers of dopaminergic neurons in the substantia nigra, evoked dopamine overflow in the striatum was markedly reduced, primarily as a result of increased reuptake. Nigral neurons lacking DJ-1 were less sensitive to the inhibitory effects of D2 autoreceptor stimulation. Corticostriatal long-term potentiation was normal in medium spiny neurons of DJ-1^−/− mice, but long-term depression (LTD) was absent. The LTD deficit was reversed by treatment with D2 but not D1 receptor agonists. Furthermore, DJ-1^−/− mice displayed hypoactivity in the open field. Collectively, our findings suggest an essential role for DJ-1 in dopaminergic physiology and D2 receptor-mediated functions.

Parkinson's disease (PD) is characterized by the selective vulnerability of the nigrostriatal dopaminergic circuit. Recently, loss-of-function mutations in the PTEN-induced kinase 1 ( PINK1 ) gene have been linked to early-onset PD. How PINK1 deficiency causes dopaminergic dysfunction and degeneration in PD patients is unknown. Here, we investigate the physiological role of PINK1 in the nigrostriatal dopaminergic circuit through the generation and multidisciplinary analysis of PINK1 −/− mutant mice. We found that numbers of dopaminergic neurons and levels of striatal dopamine (DA) and DA receptors are unchanged in PINK1 −/− mice. Amperometric recordings, however, revealed decreases in evoked DA release in striatal slices and reductions in the quantal size and release frequency of catecholamine in dissociated chromaffin cells. Intracellular recordings of striatal medium spiny neurons, the major dopaminergic target, showed specific impairments of corticostriatal long-term potentiation and long-term depression in PINK1 −/− mice. Consistent with a decrease in evoked DA release, these striatal plasticity impairments could be rescued by either DA receptor agonists or agents that increase DA release, such as amphetamine or l -dopa. These results reveal a critical role for PINK1 in DA release and striatal synaptic plasticity in the nigrostriatal circuit and suggest that altered dopaminergic physiology may be a pathogenic precursor to nigrostriatal degeneration.

Dominantly inherited mutations in leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) are a common genetic cause of Parkinson's disease (PD). The importance of the R1441 residue in the pathogenesis is highlighted by the identification of three distinct missense mutations. To investigate the pathogenic mechanism underlying LRRK2 dysfunction, we generated a knockin (KI) mouse in which the R1441C mutation is expressed under the control of the endogenous regulatory elements. Homozygous R1441C KI mice appear grossly normal and exhibit no dopaminergic (DA) neurodegeneration or alterations in steady-state levels of striatal dopamine up to 2 years of age. However, these KI mice show reductions in amphetamine (AMPH)-induced locomotor activity and stimulated catecholamine release in cultured chromaffin cells. The introduction of the R1441C mutation also impairs dopamine D2 receptor function, as suggested by decreased responses of KI mice in locomotor activity to the inhibitory effect of a D2 receptor agonist, quinpirole. Furthermore, the firing of nigral neurons in R1441C KI mice show reduced sensitivity to suppression induced by quinpirole, dopamine, or AMPH. Together, our data suggest that the R1441C mutation in LRRK2 impairs stimulated dopamine neurotransmission and D2 receptor function, which may represent pathogenic precursors preceding dopaminergic degeneration in PD brains.

Syndromes caused by mutations in Ras-MAP kinase signaling molecules are known as RASopathies and share features such as developmental delay, autistic traits, and cancer. Syndromic features of Rap-MAP kinase signaling defects remain undefined. CalDAG-GEFI is a calcium-responsive Rap-GTPase activator that is enriched in the matrix of the sensorimotor striatum and down-regulated in Huntington's disease. We show here that CalDAG-GEFI mutations, including striatum-specific deletions and spontaneous mutations in the enzymatic domain, are associated with psychomotor phenotypes in humans, dogs and mice. The identification of these neural mutants was guided by the overt bleeding phenotype in CalDAG-GEFI knockout mice, and then in humans and other species with conserved platelet signaling deficits. Knockout mice exhibit loss of striatal long-term potentiation and deficits in dopamine, acetylcholine and glutamate signaling, along with delayed motor learning and drug-induced perseverative behaviors. Thus, loss of CalDAG-GEFI signaling produces an evolutionarily conserved syndrome characterized by bleeding and psychomotor dysfunction.