Glutamate co-transmission as an emerging concept in monoamine neuron function

Glutamate co-transmission as an emerging concept in monoamine neuron function

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J Psychiatry Neurosci 2004;29(4):296-310

Louis-Éric Trudeau, PhD

Department of Pharmacology, Faculty of Medicine, Université de Montréal, Montréal, Que.

Abstract

Converging research efforts over the last 4 decades have established beyond a doubt that many, if not most, neurons release more than 1 neurotransmitter. Although much attention has been paid to the corelease of small-molecule neurotransmitters with neuropeptides, a number of examples of co-release of 2 small-molecule neurotransmitters have now been described. It has been suggested recently that monoamine neurons use glutamate as a co-transmitter. First, both serotonin (5-HT) and dopamine (DA) neurons in culture establish functional glutamatergic synapses in addition to classic terminals that release 5-HT or DA. Second, immunocytochemical work has provided evidence for the presence of neurotransmitter pools of glutamate in DA, 5-HT and noradrenergic neurons. Third, the recent cloning of 3 vesicular glutamate transporters (VGLUT1–3) has led to the discovery that noradrenergic neurons contain VGLUT2 mRNA, whereas 5-HT neurons contain VGLUT3 mRNA. Finally, although VGLUT2 mRNA does not appear to be abundant in DA neurons in the adult brain, DA neurons cultured from neonatal animals express VGLUT2, suggesting that these neurons may have the capacity to express this protein under specific conditions. Taken together with recent work describing the capacity of neurons to change neurotransmitter phenotype during development or in an activity-dependent manner, the finding of glutamate co-transmission in monoamine neurons may lead to significant revisions of current physiologic models of monoamine neuron function. In addition, the possible role of glutamate co-release in physiopathologic models of diseases that implicate central monoamine pathways, such as schizophrenia, must now be seriously considered.

Résumé

Des recherches convergentes réalisées au cours des quatre dernières décennies ont établi au-delà de tout doute qu’un grand nombre, sinon la plupart, des neurones libèrent plus d’un neurotransmetteur. Même si l’on a accordé beaucoup d’attention à la libération simultanée de neurotransmetteurs à petites molécules et de neuropeptides, on a maintenant décrit un certain nombre d’exemples de libération simultanée de deux neurotransmetteurs à petites molécules. On a suggéré récemment que les neurones à monoamine utilisent le glutamate comme cotransmetteur. Tout d’abord, les neurones à sérotonine (5-HT) et à dopamine (DA) en culture établissent des synapses glutamatergiques fonctionnelles en plus des terminaisons classiques qui libèrent la 5-HT ou la DA. Deuxièmement, des études immunocytochimiques ont démontré la présence de fortes concentrations de glutamate dans les neurones à DA, à 5-HT et noradrénergiques. Troisièmement, suite au clonage récent de trois transporteurs vésiculaires du glutamate (VGLUT1–3) il a été démontré que les neurones noradrénergiques contiennent de l’ARNm de VGLUT2, tandis que les neurones à 5-HT contiennent de l’ARNm de VGLUT3. Enfin, même si l’ARNm de VGLUT2 ne semble pas abondant dans les neurones à DA dans le cerveau d’adulte, les neurones à DA en culture, préparés à partir d’animaux néonataux, libèrent du glutamate et expriment VGLUT2, ce qui indique que ces neurones peuvent exprimer cette protéine dans des conditions précises. Conjuguée aux résultats de travaux récents qui décrivent la capacité des neurones à modifier leur phénotype pendant le développement ou en réponse à des changements de leur activité, la découverte de la capacité des neurones à monoamine à libérer le glutamate pourrait entraîner une révision importante des modèles physiologiques courants du fonctionnement des neurones à monoamine. En outre, il faut maintenant envisager sérieusement le rôle possible de la co-libération de glutamate dans les modèles physiopathologiques de maladies, comme la schizophrénie, qui mettent en cause les voies centrales des monoamines.


Medical subject headings: dopamine; glutamate; norepinephrine; models, animal; schizophrenia; serotonin.

Submitted July 4, 2003; Revised Nov. 12, 2003; Accepted Nov. 18, 2003

Acknowledgements: The author thanks Dr. Laurent Descarries and Grégory Dal Bo for critical reading of the manuscript and helpful suggestions for review. Dr. Trudeau is a fellow of the Fonds de la recherche en santé du Québec. His research activities are currently supported by the Canadian Institutes of Health Research, the National Alliance for Research on Schizophrenia and Depression, and the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada.

Competing interests: None declared.

Correspondence to: Dr. Louis-Éric Trudeau, Department of Pharmacology, Faculty of Medicine, Université de Montréal, 2900 boul. Édouard-Montpetit, Montréal QC H3T 1J4; fax 514 343-2291; louis-eric.trudeau@umontreal.ca