Pag-eksperimento sa droga epigenetically primes Fosb gene inducibility sa rat rat nucleus accumbens (2012)

abstract

Pasiuna

Ang pagkaadik sa droga gihulagway sa mapugsanong pagpangita ug pagkuha sa droga bisan pa sa grabe nga mga sangputanan (Kalivas et al., 2005; Hyman et al., 2006). Ang pagkaladlad sa droga nagdala sa kanunay nga kausaban sa gene expression sa ventral striatum (o nucleus accumbens; NAc) ug dorsal striatum (o caudate putamen; CPu), striatal nga mga istruktura nga nalambigit sa drug reward ug adiksyon (Freeman et al., 2001; Robinson ug Kolb, 2004; Shaham ug Paglaum, 2005; Maze ug Nestler, 2011). ΔFosB, usa ka pinutol ug lig-on nga protina nga gikubkob sa gilayon nga sayo nga gene, Fosb, usa ka maayo nga gihulagway nga hinungdan sa transcription sa NAc ug CPu pinaagi sa kanunay nga pagkaladlad sa halos tanan nga mga droga sa pag-abuso, diin kini nagpataliwala sa sensitibo nga mga tubag sa panggawi sa balikbalik nga pagdumala sa droga (Nestler, 2008). Bisan pa, bisan pa ang nauna pa nga pagkaladlad sa usa ka droga sa pag-abuso nag-usab sa sunod nga induksiyon sa ΔFosB nagpabilin nga wala mailhi.

Gipanghimakak namon bag-ohay nga ang mga chromatin nga mga pagbag-o agig tubag sa pagkaladlad sa pagpugong sa druga mahimo nga mag-usab sa inducibility sa piho nga mga gene sa target nga utok nga mga rehiyon (Robison ug Nestler, 2011). Ang dugang nga ebidensya nagpakita nga ang mga droga sa pag-abuso human sa malungtarong administrasyon mag-usab sa estraktura ug transcriptional accessibility sa chromatin pinaagi sa daghang matang sa kausaban, lakip na ang phosphorylation, acetylation, ug methylation sa histone tails. Ang labing bag-o nga trabaho sa mga sistema sa kultura sa selula nakatutok sa pagrekluta sa RNA polymerase II (Pol II) ngadto sa promoter sa mga "inducible" nga mga gene una pa sa ilang pagpahayag, uban sa Pol II nga padayon nga nagpadayon sa proximal promoter regions ug sa palibot sa transcription start site (TSS ) sa usa ka "nahimulag" nga kahimtang (Core ug Lis, 2008; Nechaev ug Adelman, 2008). Ang pagka-aktibo sa nahugno nga Pol II gituohan nga maoy responsable sa paglikay niini gikan sa mga promotro ug mga rehiyon sa TSS ug sa transkripsiyon niini nga mga "primed" nga mga gene (Zeitlinger et al., 2007; Saha et al., 2011; Bataille et al., 2012).

Dinhi, gipakita nato nga ang wala pa dugay nga pagkaladlad sa cocaine, nga gisundan sa usa ka dugay nga panahon sa pag-undang, nag-usab sa kawalay kausaban sa Fosb gene ngadto sa sunod nga administrasyong cocaine, diin ang NAc gipangulohan sa induction samtang ang CPu dili. Dayon atong mailhan ang lahi nga pirma sa chromatin sa Fosb gene promoter sa NAc ug CPu nga nalangkit sa ingon nga aberrant nga inducibility sa Fosb gene, lakip na ang pagrekrut sa nahunong nga Pol II sa Fosb proximal promoter sa NAc lamang maingon man usab sa mga kausaban sa ubay-ubay nga pagpa-aktibo o mapig-uton nga histone nga mga kausaban sa duha ka rehiyon sa utok. Kini nga mga resulta naghatag ug bag-ong pagsabot sa chromatin dynamics sa Fosb gene promoter ug gipakita sa una nga panahon nga usa ka mekanismo diin ang pagpahunong sa mga prisyon sa Pol II Fosb alang sa dugang nga pagpaaktibo sa NAc sa pag-re-exposure sa cocaine.

Mga Materyal ug Pamaagi

Resulta

Labaw pa Fosb inducibility sa NAc, apan dili CPu, sa cocaine-experienced nga mga ilaga

Sa pagsusi sa impluwensya sa usa ka nag-una nga chronic nga cocaine, nga gisundan sa usa ka dugay nga panahon sa pagbakwi, sa inducibility sa Fosb gene agig tubag sa sunod nga hagit sa cocaine, mga ilaga nga kaniadto gi-injected ip duha ka adlaw kada adlaw uban sa saline o cocaine (15 mg / kg) alang sa 10 nga mga adlaw gihatagan og hagit nga dosis sa droga human sa 28 nga mga adlaw sa pagbalhin (Fig 1A). Una naton gisukat ang mga tubag sa locomotor sa usa ka grupo sa mga hayop aron sa pagkumpirma sa pagpasulod sa pagkatag sa locomotor pinaagi sa una nga pagkaladlad sa cocaine, usa ka gipaabot nga sangputanan sa pagdumala sa droga. Ang cocaine nga eksperyensiyado ug gipa-ilalom nga mga ilaga nagpakita sa katumbas nga baseline nga kalihokan sa locomotor, nga adunay hagit sa cocaine sa mga droga nga na-nave nga mga hayop nga nagpadaghan sa ilang mga lugar (Fig 1B. Gisubli nga mga pamaagi duha ka paagi ANOVA, pagtambal: F_1,66 = 30.42, p <0.0001; cocaine hagit: F_2,66= 58.39, p <0.0001; pagtambal x hagit sa cocaine: F_2,66= 8.56, p = 0.0005, Bonferroni post-tests ^{^}p <0.001). Ang kini nga hagit sa cocaine nakaaghat sa labi ka daghang kalihokan sa lokomotor, ie, pagkasensitibo, sa mga ilaga nga nasinati sa cocaine (Bonferroni post-test * p <0.001).

  

Figure 1

Epekto sa una nga pagkaladlad sa cocaine sa kalihokan sa locomotor ug Fosb induction sa NAc ug CPu pagkahuman sa pagkaladlad sa droga

Aron mahibal-an ang mga epekto niining reaksyon sa cocaine-pretreatment sa ΔFosB nga ekspresyon sa NAc ug CPu, gisukat namon ang ΔFosB nga protina nga adunay immunohistochemical nga mga pamaagi 24 hr human sa pagtratar sa cocaine-naïve ug cocaine-experienced nga mga mananap nga adunay 0, 1, 3, o 6 adlaw-adlaw nga cocaine challenge injection (15 mg / kg; tan-awa ang Fig 1A). Sama sa kaniadto gitukod (Nye et al., 1995), Ang cocaine injections sa 3 igo na aron makahuloganon kaayo ang ΔFosB nga protina sa NAc ug CPu sa mga drug-naïve nga mga mananap ug ang pagpundok niini nagpabilin nga mahinungdanon human sa 6 nga mga adlaw sa cocaine injections (Fig 1C. Gisubli nga mga lakang duha duha ka paagi ANOVA, NAc core, pagtambal: F_1,28= 23.5, p <0.0001; cocaine hagit: F_3,28= 49.16, p <0.0001; pagtambal x hagit sa cocaine: F_3,28= 6.83, p = 0.0014; NAc shell, pagtambal: F_1,28= 18.69, p <0.0001; cocaine hagit: F_3,28= 31.52, p <0.0001; pagtambal x hagit sa cocaine: F_3,28= 3.21, p <0.05; CPu, pagtambal: F_1,28= 9.47, p <0.001; cocaine hagit: F_3,28= 19.74, p <0.0001; pagtambal x hagit sa cocaine: F_3,28= 0.94, p> 0.05. Sa NAc core, kabhang, ug CPu, mga pasulit nga pagsulay sa Bonferroni ^{^}p <0.05). Sa mga hayop nga nasinati sa cocaine, wala’y ebidensya sa pagpadayon sa uctionFosB induction sa NAc o CPu pagkahuman sa 28 ka adlaw nga pag-atras, nahiuyon sa naunang mga ulat nga ang signal nga ΔFosB hingpit nga nawala sa kini nga oras (Nye et al., 1995), ang hinungdan nga kini nga punto sa takna gigamit niining pagtuon. Hinuon, ang mga cocaine-experienced nga mga ilaga nga nakadawat sa 3 o 6 nga cocaine challenge inject nagpakita sa mas dako nga ΔFosB protein induction sa NAc, usa ka epekto nga makita sa duha ka core ug shell subregions (Fig 1C. Mga post-test sa Bonferroni * p <0.05). Sa kasukwahi, wala’y labi ka daghang pagsulud sa protina nga ΔFosB ang nakita sa CPu; hinoon, ang katumbas nga ΔFosB induction nga nakita sa kini nga rehiyon pagkahuman sa 3 o 6 ka adlaw nga cocaine injection injection sa cocaine-naïve ug -experiensya nga mga ilaga (Fig 1C).

Aron masabtan ang mga transcriptional alterations nga nahitabo sa NAc ug CPu isip tubag sa hagit sa cocaine, among gitun-an ang oras sa kurso (45, 90, ug 180 min) sa inducibility sa ΔFosB ug FosB mRNA transcripts sa usa ka cocaine o saline nga ineksiyon nga gihatag sa cocaine-naïve ug-eksperensya nga mga ilaga human sa 28 nga mga adlaw sa pag-usik (tan-awa Fig 1A). Mahitungod sa usa ka sulud sa asin, usa ka hagit sa cocaine ang hinungdan sa kusog nga pagsaka sa ΔFosB ug FosB mRNA nga lebel sa tanan nga tulo ka higayon nga puntos sa NAc ug CPu sa mga cocaine-naïve nga hayop (Fig 1D. Balik-balik nga mga lakang usa ka paagi ANOVA matag oras nga punto; Bonferroni post-tests ^{^}p <0.05). Sa NAc, naobserbahan namon ang labi kadaghan nga ΔFosB ug FosB mRNA nga mga hayop nga adunay kasinatian sa cocaine kumpara sa mga hayop nga cocaine-naïve pagkahuman sa hagit sa cocaine, ang epekto hinungdanon sa 90 min samtang, sa kasukwahi, ang dili mahibal-an sa ΔFosB ug FosB mRNA sa CPu mahinungdanon mikunhod sa mga hayop nga nasinati sa cocaine (Fig 1D. Bonferroni post-tests ^%p = 0.08, * p <0.05).

Pagpasidungog sa mga agianan sa pagsulud sa upstream sa NAc ug CPu sa cocaine-eksperto nga mga ilaga

Usa ka posible nga katin-awan alang sa giusab nga inducibility sa Fosb ang gene sa NAc ug CPu human sa usa ka nag-una nga chronic nga cocaine mao nga ang usa ka hilit nga kasaysayan sa pagkaladlad sa cocaine makadani sa malungtarong pagbag-o sa signal nga mga dalan nga anaa sa ibabaw sa sapa Fosb gene induction sa ingon nga ang usa ka cocaine nga hagit unya induces sa gene sa usa ka aberrant degree. Aron tun-an kini nga pangagpas, gisusi namon ang duha ka mga butang sa transcription, SRF ug CREB, nga gipakita dili pa dugay nga gikinahanglan alang sa cocaine induction sa ΔFosB sa mga utok nga mga rehiyon (Vialou et al., 2012) uban sa upstream protein kinases, ERK ug AKT, gipaapil usab sa cocaine action (Valjent et al., 2000; Lu et al., 2006; Boudreau et al., 2009). Wala kami nakamatikod sa bisan unsa nga mga kausaban sa kinatibuk-an o phosphorylated nga lebel sa mga nagkalain-laing mga protina nga makapatin-aw sa nausab nga induciblility sa Fosb Giobserbahan, lakip na ang walay mga kausaban sa SRF, CREB, o AKT (Fig 2B, C). Ang kakulang sa pagbag-o sa pSRF ug pCREB sa NAc isip tubag sa usa ka hagit sa cocaine nahisubay sa usa ka bag-o nga taho, nga nakaplagan nga dunay mahinungdanon pinaagi sa chronic cocaine lamang (Vialou et al., 2012).

  

Figure 2

Epekto sa nauna nga pagkaladlad sa cocaine sa ibabaw sa molekular nga signal cascades sa NAc ug CPu

Sa NAc ug CPu sa mga drug-naïve nga mga mananap, 20 min human sa unang pagkaladlad sa drug (Fig 2A), ang usa ka hagit sa cocaine mikunhod ang lebel sa pERK42 / 44 (Fig 2B, C. Duha ka tail nga t-test sa Estudyante: * p <0.05). Adunay mga naunang ulat sa pagdugang nga lebel sa PERK sa kini nga mga rehiyon pagkahuman sa grabe nga pagdumala sa cocaine (Valjent et al., 2000). Lisod itandi sa ubang mga papeles nga nagsusi sa ERK phosphorylation sa NAc atol sa pag-atras gikan sa gibalikbalik nga cocaine injections (Boudreau et al., 2007; Shen et al., 2009), sama sa among pagtuon nga pERK gi-quantify human sa 28 nga mga adlaw sa pag-atras ug human sa cocaine o saline challenge. Uyon sa mga drug-naïve nga mga hayop nga nakasinati og cocaine sa unang higayon, pag-exposure sa cocaine sa cocaine-experienced nga mga ilaga, human sa 28 nga mga adlaw sa pag-atras, hinungdan sa dakong pagsaka sa pERK42 / 44 nga lebel sa CPu (Fig 2B, C. Duha nga estudyante sa ikog nga t-test: * p <0.05).

Chromatin nga talan-awon sa Fosb gene promoter sa NAc ug CPu sa cocaine-eksperto nga mga ilaga

Dayon among susihon kung ang mga kausaban sa Fosb Ang inducibility sa gene nalangkit sa pag-usab sa iyang chromatin structure. Gipahigayon ang Chip sa NAc ug CPu nga naggamit sa mga antibodies nga gitumong batok sa tulo ka mga maayo nga matang sa mga histone nga kausaban: trimethylation sa Lys4 sa histone H3 (H3K4me3) nga may kalabutan sa gene nga pagpaaktibo, ug H3K27me3 ug H3K9me2 nga may kalabutan sa gene nga pagpanumpo. Gi-analisar namon ang cocaine-naïve ug-eksperyensyado nga mga ilaga human sa 28 nga mga adlaw sa pag-atras nga wala man o adunay hagit sa pag-inject sa cocaine, nga gisusi sa mga mananap ang 1 hr sa ulahi (Fig 3A). Sa NAc, wala kami makit-an nga mahinungdanon nga pagbag-o sa pagbugkos sa bisan unsa niining tulo ka histone nga mga kausaban sa Fosb gene promoter sa pagkawala sa usa ka hagit sa cocaine, bisan tuod adunay usa ka trend alang sa pagkunhod sa lebel sa H3K9me2 (Fig 3B-D. Duha ka tailed Student t-test. ^#p = 0.2 kung ikumpara sa susamang kontrol sa Drug Naïve). Kini nga epekto nahimong mahinungdanon human sa hagit nga cocaine ug espesipiko alang sa proximal promoter nga rehiyon sa gene (Fig 3C. * p <0.05). Samtang ang lebel sa H3K9me2 ubos kaayo sa pipila ka mga gene, ang Fosb Ang gene promoter nagpakita sa igo nga lebel sa marka sa NAc ubos sa mga kondisyon sa pagkontrol (Maze et al., 2010, data nga wala gipakita). Sa kasukwahi, sa CPu, nakakaplag kami og gagmay apan mahinungdanon nga pagkunhod sa H3K4me3 binding, ug nagdugang sa H3K27me3 binding, sa Fosb promoter sa pagkawala sa cocaine challenge, mga epekto nga nawala human sa hagit (Fig 3D. * p <0.05).

  

Figure 3

Ang epekto sa una nga malala nga cocaine exposure sa epigenetic nga pagsuyop sa Fosb gene sa NAc ug CPu

Gisusi namo sunod Pol II ang pagbugkos sa Fosb gene, base sa bag-ong mga nahibal-an sa kultura sa selula nga nagputol sa Pol II sa TSSs, nga gihulagway sa phosphorylation niini sa Ser 5 sa iyang CTD repeat region, gilangkuban sa pagsugod sa mga gene (tan-awa ang Pasiuna). Gitun-an namon ang Pol II-pSer5 nga nagbugkos sa Fosb sa upat ka managlahi nga rehiyon sa gene (Fig 3B). Kini nga pag-analisa nagpadayag sa usa ka mahinungdanon nga pagpalambo sa Pol II-pSer5 sa Fosb gene sa proximal promoter nga rehiyon ug sa palibot sa iyang TSS sa NAc nga cocaine-experienced nga mga hayop, human sa dugay nga pag-atras, sa pagkawala sa cocaine challenge kumpara sa kontrol (Fig 3E. * p <0.05). Kini nga pagpayaman dili makita sa duha ka mga rehiyon sa lawas sa gene sa Fosb, nga nahiuyon sa Pol II nga gihunong nga gihulagway sa mas simple nga mga sistema sa eksperimento. Makapainteres, human sa usa ka hagit sa cocaine, ang Pol II-pSer5 nga pagbugkos nagpakita gihapon og mga timailhan sa pagpalambo, bisan dili na kaayo, sa Fosb proximal promoter region (Fig 3E. ^%p = 0.1), apan mibalik sa kontrol sa lebel sa TSS. Ang mga nadiskobre sa CPu mas daghan, nga walay tin-aw nga sumbanan sa Pol II-pSer5 nga nag-obserba.

Panaghisgutan

Ang kasamtangan nga pagtuon naghatag og bag-ong pagsabut sa gipadayon nga regulasyon sa Fosb mga semana human sa paghunong sa balik-balik nga pagkaladlad sa cocaine. Gipakita nato nga ang nauna nga malala nga cocaine nga administrasyon naghatag sa Fosb ang gene nga mas madasig sa NAc, nga nagresulta sa dali nga pagtigum sa ΔFosB sa pagbalik ngadto sa droga. Gihatag ang pagkadaghan sa mga ebidensya nga ang ΔFosB induction sa NAc naghusay sa sensitized behavioral responses sa cocaine (Nestler, 2008), ang atong mga kaplag nagpadayag sa usa ka bag-ong mekanismo alang sa mas paspas nga pagpabalik sa mga sensitibo nga mga tubag human sa dugay nga pagbakwit.

Gipakita namon nga ang gipaayo nga induksiyon sa ΔFosB sa NAc nalangkit sa pagbag-o sa chromatin sa Fosb ang gene nga gilauman nga ipatuman kini alang sa dugang nga induction. Sa ingon, gipakita nato ang dugang nga Pol II nga nagbugkos sa proximal promoter ug TSS nga mga rehiyon sa gene nga anaa human sa 4 nga mga semana sa pag-atras gikan sa naunang chronic cocaine administration. Ang pagpauswag sa Pol II sa TSS kusog nga nawala sa hagit sa cocaine ug Fosb induksiyon, nga nahiuyon sa usa ka modelo sa kultura sa selula nga nagpahunong sa Pol II nga gipagawas gikan sa TSSs human sa pagpaaktibo sa gene (tan-awa ang Pasiuna). Ang usa ka hagit sa cocaine nagdasig usab sa paspas nga pagkunhod sa pagbugkos sa H3K9me2-usa ka marka sa pagpanggukod sa gene-ngadto sa Fosb promoter. Sa kasukwahi, wala kami nakit-an nga walay nagpadayong induksiyon sa ubay-ubay nga mga butang sa transcription, o sa ilang mga upstream kinase, nga nahibal-an nga mediate Fosb induksiyon sa cocaine. Kini nga mga resulta nagpaluyo sa among pangagpas nga ang gipaayo nga induksiyon sa ΔFosB sa NAc gihusay pinaagi sa epigenetic nga pagsuyop sa Fosb gene ug dili pinaagi sa upregulation sa upstream nga mga panghitabo.

Lain kaayo nga mga resulta ang nakuha alang sa CPu. Walay ebidensya alang sa Pol II nga nahunong sa Fosb sa cocaine-nakasinati nga mga ilaga sa wala pa ang usa ka hagit sa cocaine, bisan pa adunay gamay apan mahinungdanong histone nga mga kausaban nga nahiuyon sa gene nga pagpanumpo: midaghan ang H3K27me3 ug nagkubos sa H3K4me3 binding. Walay usab kausaban sa mga salabutan sa kinatibuk-ang transcription o kinases nga nahiuyon sa pagkunhod Fosb induction. Gipakita niini nga mga kaplag nga human sa malala nga pagdumala sa cocaine, ang mga pag-usab sa epigeneto naglambay Fosb gene inducibility sa CPu, sukwahi sa priming nga nakita sa NAc. Hinuon, bisan kini nga mga epekto nagpugong sa pagpadangat sa ΔFosB mRNA sa pagbalik ngadto sa cocaine, walay pagkawala sa pagtigum sa ΔFosB nga protina. Ang mekanismo nga nagpailang kini nga paradox karon nagkinahanglan og dugang nga imbestigasyon.

Labaw sa kinatibuk-an, ang among mga resulta nagsuporta sa usa ka modelo diin ang mga pag-usab sa chromatin nga talan-awon sa mga piho nga mga genes isip tubag sa malala nga cocaine nga administrasyon nagsilbi nga labing hinungdanon o gibun-og ang mga gene alang sa sunod nga induksiyon sa pagbalik ngadto sa droga. Ang mga pagbag-o nga chromatin, nga mahimong giisip nga "epigenetic scars," mahimong dili ma-analisar sa mga gitun-an nga mRNA levels sa genes. Niining paagiha, ang paghulagway sa epigenome sa pagkaadik nagsaad sa pagpadayag sa bag-ong kasayuran mahitungod sa molekula nga pathogenesis sa disorder, nga mahimong gamiton alang sa pagpalambo sa bag-ong mga pagtambal.

Pasalamat

mga pakisayran