The dopamine transporter (DAT) is a target of amphetamine (AMPH) and cocaine. These psychostimulants attenuate DAT clearance efficiency, thereby increasing synaptic dopamine (DA) levels. Re-uptake rate is determined by the number of functional transporters at the cell surface as well as by their turnover rate. Here, we present evidence that DAT substrates, including AMPH and DA, cause internalization of human DAT, thereby reducing transport capacity. Acute treatment with AMPH reduced the maximal rate of [ 3 H]DA uptake, decreased AMPH-induced currents, and significantly redistributed the immunofluorescence of an epitope-tagged DAT from the plasma membrane to the cytosol in human embryonic kidney 293 cells. Conversely, DAT inhibitors, such as cocaine, mazindol, and nomifensine, when administered with AMPH, blocked the reduction in [ 3 H]DA uptake and the redistribution of DAT immunofluorescence to the cytosol. The reductions of [ 3 H]DA uptake and AMPH-induced DAT internalization also were inhibited by coexpression of a dominant negative mutant of dynamin I (K44A), indicating that endocytosis modulates transport capacity, likely through a clathrin-mediated pathway. With this mechanism of regulation, acute application of AMPH would reduce DA uptake not only by direct competition for uptake, but also by reducing the available cell-surface DAT. Moreover, AMPH-induced internalization might diminish the amount of DAT available for DA efflux, thereby modulating the cytotoxic effects of elevated extracellular DA.

Antidepressant- and cocaine-sensitive serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT) transporters (SERTs) dictate clearance of extracellular 5-HT after release. To explore protein kinase C-mediated SERT regulation, we generated a stable human SERT (hSERT)-expressing cell line (293-hSERT) and evaluated modulation of 5-HT activity via studies of 5-HT flux, hSERT-mediated currents under voltage clamp, and surface distribution of SERT protein. 293-hSERT cells exhibit saturable, high-affinity, and antidepressant-sensitive 5-HT uptake as well as hSERT-dependent whole-cell currents. In these cells, the protein kinase C activator beta-PMA caused a time-dependent reduction in 5-HT uptake capacity (Vmax) after acute application and a reduction in SERT-mediated currents. Effects of beta-PMA were mimicked by the phorbol ester beta-PDBu, were not observed with the inactive alpha-isomers, and could be blocked by treatment of cells with the protein kinase C inhibitor staurosporine. Biotinylation/immunoblot analyses showed that activity reductions are paralleled by a staurosporine-sensitive loss of surface SERT protein. These data indicate that altered surface abundance, rather than reduced catalytic transport efficiency, mediates acute PKC-dependent modulation of 5-HT uptake.

Abstract Bile acids (BAs) are molecules derived from cholesterol that are involved in dietary fat absorption. New evidence supports an additional role for BAs as regulators of brain function. Interestingly, sterols such as cholesterol interact with monoamine transporters (MAT), including the dopamine (DA) transporter (DAT) which plays a key role in DA neurotransmission and reward circuitries in the brain. The present study explores interactions of the BA, obeticholic acid (OCA), with DAT and mechanistically defines the regulation of DAT activity via both electrophysiology and molecular modeling. We express murine DAT (mDAT) in Xenopus laevis oocytes and confirm that DA induces an inward current that reaches a steady-state at a negative membrane voltage. Next, we show that OCA triggers an inward current through DAT that is Na + dependent and not regulated by intracellular calcium. OCA also inhibits the DAT-mediated Li + leak current, a feature that parallels DA action and indicates direct binding to the transporter. Interestingly, OCA does not alter DA affinity nor the ability of DA to promote a DAT-mediated inward current, suggesting that the interaction of OCA with the transporter is non-competitive, in regard to DA. The current induced by OCA is transient in nature, returning to baseline in the continued presence of the BA. To understand the molecular mechanism of how OCA affects DAT electrical activity, we performed docking simulations. These simulations revealed two potential binding sites that provide important insights into the potential functional relevance of the OCA-DAT interaction. First, in the absence of DA, OCA binds DAT through interactions with D421, a residue normally involved in coordinating the binding of the Na + ion to the Na2 binding site (Borre et al., 2014;Cheng and Bahar, 2015). Furthermore, we uncover a separate binding site for OCA on DAT, of equal potential functional impact, that is facilitated through the residues DAT R445 and D436. This binding may stabilize the inward-facing open (IF o ) state by preventing the re-formation of the IF gating salt bridges, R60-D436 and R445-E428, that are required for DA transport. This study suggests that BAs may represent novel pharmacological tools to regulate DAT function, and possibly, associated behaviors.

ABSTRACT Parkinson disease (PD) is a progressive, neurodegenerative disorder affecting over 6.1 million people worldwide. Although the cause of PD remains unclear, studies of highly-penetrant mutations identified in early-onset familial parkinsonism have contributed to our understanding of the molecular mechanisms underlying disease pathology. Dopamine (DA) transporter (DAT) deficiency syndrome (DTDS) is a distinct type of infantile parkinsonism-dystonia that shares key clinical features with PD, including motor deficits (progressive bradykinesia, tremor, hypomimia) and altered DA neurotransmission. Here, we define structural, functional, and behavioral consequences of a Cys substitution at R445 in human DAT (hDAT R445C), identified in a patient with DTDS. We found that this R445 substitution disrupts a phylogenetically conserved intracellular (IC) network of interactions that compromise the hDAT IC gate. This is demonstrated by both Rosetta molecular modeling and fine-grained simulations using hDAT R445C, as well as EPR analysis and X-ray crystallography of the bacterial homolog leucine transporter. Notably, the disruption of this IC network of interactions supported a channel-like intermediate of hDAT and compromised hDAT function. We demonstrate that Drosophila melanogaster expressing hDAT R445C show impaired hDAT activity, which is associated with DA dysfunction in isolated brains and with abnormal behaviors monitored at high-speed time resolution. We show that hDAT R445C Drosophila exhibit motor deficits, lack of motor coordination (i.e. flight coordination) and phenotypic heterogeneity in these behaviors that is typically associated with DTDS and PD. These behaviors are linked with altered dopaminergic signaling stemming from loss of DA neurons and decreased DA availability. We rescued flight coordination through enhanced DAT surface expression via the lysosomal inhibitor chloroquine. Together, these studies shed light on how a DTDS-linked DAT mutation underlies DA dysfunction and, more broadly, the clinical phenotypes shared by DTDS and PD.

Abstract Amphetamine (AMPH), a psychostimulant commonly prescribed for the treatment of neuropsychiatric and neurological disorders, has a high liability for abuse. The abuse and psychomotor stimulant properties of AMPH are primarily associated with its ability to increase dopamine (DA) neurotransmission. This increase is mediated, in large part, by non-vesicular DA release (DA efflux). DA efflux is the result of reversal of the DA transporter (DAT) promoted by AMPH. Syntaxin 1 (Stx1) is a SNARE protein that plays a pivotal role in vesicular release. Previously, we have shown that Stx1 also interacts with the distal DAT N-terminus, an event promoted by AMPH. Stx1 is phosphorylated at Ser14 by casein kinase II (CK2). Using Drosophila Melanogaster as an animal model, we show that this phosphorylation event is critical for non-vesicular DA release and regulates the expression of AMPH preference as well as the ability of AMPH to promote mating drive. We also show that reverse transport of DA mediated by DAT underlies these complex behaviors promoted by AMPH. Our molecular dynamics (MD) simulations of the phosphorylated DAT/Stx1 complex demonstrate that the phosphorylation state of these proteins plays a key role in allowing DAT to dwell in an efflux-willing state. This state also supports constitutive DA efflux (CDE), an event that occurs in the absence of AMPH. The DAT-Stx1 phosphorylated complex is characterized by the breakdown of two key salt bridges in DAT, K66-D345 and E428-R445, which are critical for the formation of the intracellular (IC) gate and for transport function. The breaking of these salt bridges leads to an opening and hydration of the DAT intracellular vestibule, allowing DA to bind from the cytosol, a mechanism that we hypothesize leads to CDE. We further determine the importance of Stx1 phosphorylation in CDE by pharmacologically inhibiting CK2 with CX-4945, a molecule currently in phase II clinical trials for cancer treatment. CX-4945 treatment prevented the expression of CDE in isolated Drosophila Melanogaster brains as well as behaviors associated with CDE. Thus, our results suggest that Stx1 phosphorylation is a possible pharmacological target for the treatment of AMPH abuse.

Abstract Dopaminergic dysfunction is central to movement disorders and mental diseases. The dopamine transporter (DAT) is essential for the regulation of extracellular dopamine but the genetic and mechanistic link between DAT function and dopamine-related pathologies remains elusive. Particularly, the pathophysiological significance of monoallelic missense mutations in DAT is unknown. Here we identify a novel coding DAT variant, DAT-K619N, in a patient with early-onset parkinsonism and comorbid neuropsychiatric disease and in 22 individuals from exome-sequenced samples of neuropsychiatric patients. The variant localizes to the critical C-terminal PDZ-binding motif of DAT and causes reduced uptake capacity, decreased surface expression, and accelerated turnover of DAT in vitro . In vivo , we demonstrate that expression of DAT-K619N in mice and dropsophila imposes impairments in dopamine transmission with accompanying changes in dopamine-directed behaviors. Importantly, both cellular studies and viral overexpression of DAT-K619N in mice show that DAT-K619N has a dominant-negative effect which collectively implies that a single dominant-negative genetic DAT variant can confer risk for neuropsychiatric disease and neurodegenerative early-onset parkinsonism.