Atrophy of neurons in the prefrontal cortex (PFC) plays a key role in the pathophysiology of depression and related disorders. The ability to promote both structural and functional plasticity in the PFC has been hypothesized to underlie the fast-acting antidepressant properties of the dissociative anesthetic ketamine. Here, we report that, like ketamine, serotonergic psychedelics are capable of robustly increasing neuritogenesis and/or spinogenesis both in vitro and in vivo. These changes in neuronal structure are accompanied by increased synapse number and function, as measured by fluorescence microscopy and electrophysiology. The structural changes induced by psychedelics appear to result from stimulation of the TrkB, mTOR, and 5-HT2A signaling pathways and could possibly explain the clinical effectiveness of these compounds. Our results underscore the therapeutic potential of psychedelics and, importantly, identify several lead scaffolds for medicinal chemistry efforts focused on developing plasticity-promoting compounds as safe, effective, and fast-acting treatments for depression and related disorders.

A series of compounds were designed and synthesized as antagonists of cIAP1/2, ML-IAP, and XIAP based on the N-terminus, AVPI, of mature Smac. Compound 1 (GDC-0152) has the best profile of these compounds; it binds to the XIAP BIR3 domain, the BIR domain of ML-IAP, and the BIR3 domains of cIAP1 and cIAP2 with K(i) values of 28, 14, 17, and 43 nM, respectively. These compounds promote degradation of cIAP1, induce activation of caspase-3/7, and lead to decreased viability of breast cancer cells without affecting normal mammary epithelial cells. Compound 1 inhibits tumor growth when dosed orally in the MDA-MB-231 breast cancer xenograft model. Compound 1 was advanced to human clinical trials, and it exhibited linear pharmacokinetics over the dose range (0.049 to 1.48 mg/kg) tested. Mean plasma clearance in humans was 9 ± 3 mL/min/kg, and the volume of distribution was 0.6 ± 0.2 L/kg.

Abstract There is substantial evidence that both NMDA receptor (NMDAR) hypofunction and dysfunction of GABAergic neurotransmission contribute to schizophrenia, though the relationship between these pathophysiological processes remains largely unknown. While models using cell-type-specific genetic deletion of NMDARs have been informative, they display overly pronounced phenotypes extending beyond those of schizophrenia. Here, we used the serine racemase knockout (SRKO) mice, a model of reduced NMDAR activity rather than complete receptor elimination, to examine the link between NMDAR hypofunction and decreased GABAergic inhibition. The SRKO mice, in which there is a >90% reduction in the NMDAR co-agonist D-serine, exhibit many of the neurochemical and behavioral abnormalities observed in schizophrenia. We found a significant reduction in inhibitory synapses onto CA1 pyramidal neurons in the SRKO mice. This reduction increases the excitation/inhibition balance resulting in enhanced synaptically-driven neuronal excitability and elevated broad-spectrum oscillatory activity in ex vivo hippocampal slices. Consistently, significant reductions in inhibitory synapse density in CA1 were observed by immunohistochemistry. We further show, using a single-neuron genetic deletion approach, that the loss of GABAergic synapses onto pyramidal neurons observed in the SRKO mice is driven in a cell-autonomous manner following the deletion of SR in individual CA1 pyramidal cells. These results support a model whereby NMDAR hypofunction in pyramidal cells disrupts GABAergic synapse development leading to disrupted feedback inhibition and impaired neuronal synchrony.

Abstract D-serine is the primary NMDA receptor (NMDAR) co-agonist at mature forebrain synapses and is synthesized by the enzyme serine racemase (SR). However, our understanding of the mechanisms regulating the availability of synaptic D-serine remains limited. Though early studies suggested D-serine is synthesized and released from astrocytes, more recent studies have demonstrated a predominantly neuronal localization of SR. More specifically, recent work intriguingly suggests that SR may be found at the postsynaptic density, yet the functional implications of postsynaptic SR on synaptic transmission are not yet known. Here, we show an age-dependent dendritic and postsynaptic localization of SR and D-serine by immunohistochemistry and electron microscopy in mouse CA1 pyramidal neurons, as well as the presence of SR in human hippocampal synaptosomes. In addition, using a single-neuron genetic approach in SR conditional knockout mice, we demonstrate a cell-autonomous role for SR in regulating synaptic NMDAR function at Schaffer collateral (CA3)-CA1 synapses. Importantly, single-neuron genetic deletion of SR resulted in the elimination of LTP at one month of age. Interestingly, there was a restoration of LTP by two months of age that was associated with an upregulation of synaptic GluN2B. Our findings support a cell-autonomous role for postsynaptic neuronal SR in regulating synaptic NMDAR function and suggests a possible autocrine mode of D-serine action.

NMDA receptors (NMDARs) mediate major forms of both long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) and understanding how a single receptor can initiate both phenomena remains a major question in neuroscience. A prominent hypothesis implicates the NMDAR subunit composition, specifically GluN2A and GluN2B, in dictating the rules of synaptic plasticity. However, studies testing this hypotheses have yielded inconsistent and often contradictory results, especially for LTD. These inconsistent results may be due to challenges in the interpretation of subunit-selective pharmacology and in dissecting out the contributions of differential channel properties versus the interacting proteins unique to GluN2A or GluN2B. In this study, we address the pharmacological and biochemical challenges by utilizing a single-neuron genetic approach to delete NMDAR subunits in both male and female conditional knock-out mice. In addition, emerging evidence that non-ionotropic signaling through the NMDAR is sufficient for NMDAR-dependent LTD allowed the rigorous assessment of unique subunit contributions to NMDAR-dependent LTD while eliminating the variable of differential charge transfer. Here we find that neither the GluN2A nor the GluN2B subunit is strictly necessary for either non-ionotropic or ionotropic LTD.