Transkripční mechanismy drogové závislosti (2012)

ÚVOD

Studium transkripčních mechanismů závislosti je založeno na hypotéze, že regulace genové exprese je jedním z důležitých mechanismů, kterými chronické vystavení drogovému zneužívání způsobuje dlouhodobé změny v mozku, které jsou základem behaviorálních abnormalit, které definují stav závislosti.1,2) Důsledkem této hypotézy je to, že změny vyvolané ve fungování několika neurotransmiterních systémů a v morfologii některých typů neuronálních buněk v mozku chronickým podáním léčiva jsou částečně zprostředkovány změnami genové exprese.

Samozřejmě, že neurální a behaviorální plastičnost indukovaná léčivou látkou je samozřejmě zprostředkována na úrovni exprese genu, protože známe zásadní příspěvky translačních a posttranslačních modifikací a obchodování s proteiny v souvislosti s jevy souvisejícími se závislostmi. Na druhou stranu je regulace genové exprese jedním z ústředních mechanismů a je pravděpodobně zvláště důležitá pro celoživotní abnormality charakterizující závislost. Transkripční regulace skutečně poskytuje šablonu, na jejímž povrchu tyto jiné mechanismy fungují.

Práce za posledních 15 let poskytla stále více důkazů o roli genové exprese v závislosti na drogách, protože bylo zapleteno několik transkripčních faktorů - proteinů, které se vážou na specifické prvky odpovědi v promotorových oblastech cílových genů a regulují expresi těchto genů v drogové akci. Podle tohoto schématu uvedeného v Obr. 1, drogy zneužívání prostřednictvím svých počátečních akcí v synapsi, produkují změny v neuronech, které signalizují jádru a regulují aktivitu četných transkripčních faktorů a mnoho dalších typů transkripčních regulačních proteinů.3) A Tyto jaderné změny postupně a progresivně budují s opakovanou expozicí léčiva a jsou základem stabilních změn ve vyjádření specifických cílových genů, které naopak přispívají k trvalým změnám v nervových funkcích, které udržují stav závislosti.1,4)

Tato recenze se zaměřuje na několik transkripčních faktorů, u nichž bylo prokázáno, že hrají důležitou roli v závislosti. Dále se zaměřujeme na transkripční faktory regulované drogami v obvodech odměňování mozku, oblasti mozku, které normálně regulují reakce jedince na přirozené odměny (např. Jídlo, sex, sociální interakce), ale jsou poškozeny chronickým vystavením drogám, které způsobují závislost. Tento obvod odměňování mozku zahrnuje dopaminergní neurony ve ventrální tegmentální oblasti středního mozku a několik oblastí limbického předního mozku, které inervují, včetně nucleus accumbens (ventrální striatum), prefrontální kůry, amygdaly a hipokampu. Jak bude vidět, drtivá většina dosavadního výzkumu transkripčních mechanismů závislosti se soustředila na nucleus accumbens.

ΔFosB

ΔFosB je kódován FosB gen a sdílí homologii s dalšími faktory transkripce rodiny Fos, mezi nimiž patří c-Fos, FosB, Fra1 a Fra2.5) Tyto rodinné proteiny Fos heterodimerizují s proteiny rodiny Jun (c-Jun, JunB nebo JunD) za vzniku aktivních aktivátorů protein-1 (AP1) transkripčních faktorů, které se vážou na místa AP1 přítomná v promotorech určitých genů pro regulaci jejich transkripce. Tyto rodiny proteinů Fos jsou indukovány rychle a přechodně v specifických oblastech mozku po akutním podání mnoha léků zneužívání (Obr. 2).2) Tyto reakce jsou nejvíce viditelné v nucleus accumbens a dorsal striatum, ale také v několika dalších oblastech mozku.6) Všechny tyto rodinné proteiny Fos jsou však vysoce nestabilní a během několika hodin po podání léku se vrátí k bazální úrovni.

Velmi odlišné odpovědi lze pozorovat po chronickém podávání léků zneužívání (Obr. 2). Biochemicky modifikované izoformy ΔFosB (M_r 35-37 kD) se po opakované expozici léčiva akumulují ve stejných oblastech mozku, zatímco všichni členové rodiny Fos vykazují toleranci (tj. Sníženou indukci ve srovnání s počátečními expozicemi léků).7-9) Taková akumulace ΔFosB byla pozorována u prakticky všech zneužívajících léků, ačkoli různé drogy se poněkud liší v relativním stupni indukce pozorovaném v nucleus accumbens jádru vs. skořápce, dorzální striatum a dalších oblastech mozku.2,6) Alespoň pro některá zneužívaná léčiva se indukce ΔFosB jeví jako selektivní pro podskupinu středně ostnatých neuronů obsahujících dynorphiny - ty, které převážně exprimují D1 dopaminové receptory - ve striatálních oblastech. Izoformy 35-37 kD ΔFosB dimerizují převážně s JunD za vzniku aktivního a dlouhodobého komplexu AP-1 v těchto oblastech mozku,7,10) i když existují určité důkazy in vitro studie, že ΔFosB může tvořit homodimery.11) Indukce DFosB v jádře accumbens se zdá být reakcí na farmakologické vlastnosti léčiva samo o sobě a nesouvisí s volným příjmem léků, protože zvířata, která sama podávají kokain nebo dostávají vstřikované injekce, vykazují ekvivalentní indukci tohoto transkripčního faktoru v této oblasti mozku.6) Naproti tomu indukce ΔFosB v některých dalších oblastech, například orbitofronální kůře, vyžaduje volitivní podávání léku.12)

Izomety 35-37 kD ΔFosB se hromadí s chronickou expozicí léku kvůli jejich mimořádně dlouhým poločasům.7-13) V důsledku své stability přetrvává protein ΔFosB v neuronech alespoň několik týdnů po ukončení expozice léčiva. Nyní víme, že tato stabilita je způsobena dvěma faktory: 1) nepřítomnost dvou degronových domén v DFosB, která jsou přítomna na C-konci plné délky FosB a všech ostatních proteinů rodiny Fos a zaměřuje tyto proteiny na rychlou degradaci a 2) fosforylaci ΔFosB na svém N-konci kasein kinázou 2 a možná dalšími protein kinázami.14-16) Stabilita izoforem AFosB poskytuje nový molekulární mechanismus, kterým mohou léky vyvolané změny v genové expresi přetrvávat navzdory relativně dlouhým obdobím vysazení léku. Navrhli jsme proto, že ΔFosB funguje jako trvalý „molekulární přepínač“, který pomáhá iniciovat a poté udržovat závislý stav.1,2)

CREB

Cyklický AMP vazebný proteinový element (CREB) je jedním z nejvíce studovaných transkripčních faktorů v neurovědách a je zapleten do různých aspektů neurální plasticity.33) Vytváří homodimery, které se mohou vázat na geny u elementů cyklických odpovědí AMP (CREs), ale primárně aktivují transkripci poté, co byly fosforylovány v Ser133 (některou z několika protein kináz), což umožňuje získání CREB-vázajícího proteinu (CBP) podporuje transkripci. Mechanismus, kterým aktivizace CREB potlačuje expresi určitých genů, je méně dobře pochopena.

Psychostimulancia (kokain a amfetamin) i opiáty zvyšují aktivitu CREB, akutně a chronicky - měřeno zvýšením aktivity fosfo-CREB (pCREB) nebo aktivity reportérového genu u transgenních myší CRE-LacZ - ve více oblastech mozku, včetně nucleus accumbens a dorzálního striata .34-36) Časový průběh této aktivace je velmi odlišný od toho, který vykazuje ΔFosB. Jak je znázorněno v Obr. 2, Aktivace CREB je velmi přechodná v reakci na akutní podávání léčiva a po uplynutí jednoho nebo dvou dnů po stažení se vrátí k normálním hladinám. Kromě toho dochází k aktivaci CREB v podtypech dynorfinu a enkefalinu středních nepravidelných neuronů.34) Na rozdíl od kokainu a opiátů vykazuje CREB komplikovanější a nejrůznější odpovědi na jiné léky zneužívání.4)

Experimenty zahrnující indukovatelnou nadměrnou expresi CREB nebo dominantního negativního mutantu u bitransgenních myší nebo s virovými vektory ukázaly, že aktivace CREB - v nápadném kontrastu s ΔFosB - v nucleus accumbens snižuje prospěšné účinky kokainu a opiátů, jak je hodnoceno při úpravě místa testy.37,38) Nicméně aktivace CREB, stejně jako indukce ΔFosB, podporuje samosprávu léků.39) Důležité je, že účinky s dominantním negativním CREB byly validovány indukovatelnými knockdowny endogenní aktivity CREB.39-41) Je zajímavé, že oba transkripční faktory vedou k volnému příjmu léků; pravděpodobně ΔFosB tak dělá pozitivní výztuží, zatímco CREB vyvolává tento fenotyp negativním zesílením. Druhá možnost je v souladu se značnými důkazy, že aktivita CREB v této oblasti mozku způsobuje negativní emoční stav.34,42)

Aktivita CREB je přímo spojena s funkční aktivitou středních špinavých neuronů nucleus accumbens. Nadměrná exprese CREB se zvyšuje, zatímco dominantní negativní CREB klesá, elektrická excitabilita středních nepravidelných neuronů.43) Možné rozdíly mezi dynorfinem a enkefalinovými neurony nebyly dosud prozkoumány. Pozorování, že virálně zprostředkovaná nadměrná exprese K⁺ kanálová podjednotka v nucleus accumbens, která snižuje excitabilitu středních spiny neuronů, zvyšuje lokomotorické reakce na kokain, což naznačuje, že CREB působí jako přerušení behaviorální senzitizace na kokain zvýšením neuronové excitability.43)

Druhy zneužívání aktivují CREB v několika oblastech mozku za jádrem. Jedním z příkladů je ventrální tegmentální oblast, kde chronické podávání kokainu nebo opiátů aktivuje CREB v dopaminergních a ne-dopaminergních neuronech. Zdá se, že tento účinek podporuje nebo ztenčuje odměňující se reakce zneužívání drog v závislosti na subregionu postižené oblasti ventrálního tegmentu.

Bylo identifikováno mnoho cílových genů pro CREB, a to jak pomocí přístupů otevřených, tak kandidátských genů, které zprostředkovávají tyto a další účinky na středně špinavé neurony nucleus accumbens a výsledný fenotyp CREB.18,32,36) Mezi významné příklady patří opioidní peptidový dynorfin,37) který napájí zpět a potlačuje dopaminergní signalizaci na nucleus accumbens, jak bylo uvedeno výše.24,25) Dále jsou zahrnuty určité podjednotky glutamátového receptoru, jako je podjednotka GluA1 AMPA a podjednotka GluN2B NMDA, stejně jako K⁺ a Na⁺ podjednotky iontových kanálů, u kterých by se společně očekávalo, že budou kontrolovat excitabilitu buněk nucleus accumbens.43,44) BDNF je ještě dalším cílovým genem pro CREB v nucleus accumbens a také se podílí na zprostředkování behaviorálního fenotypu CREB.35) Ukázalo se také, že indukce CREB přispívá k indukci kokainu dendritickými trny na středně ostnatých neuronech nucleus accumbens.45)

CREB je jen jedním z několika příbuzných proteinů, které vážou CRE a regulují transkripci cílových genů. Několik produktů genu cyklického modulátoru AMP elementu odezvy (CREM) reguluje CRE zprostředkovanou transkripci. Některé z produktů (např. CREM) jsou transkripční aktivátory, zatímco jiné (např. ICER nebo indukovatelný cyklický represor AMP) fungují jako endogenní dominantní negativní antagonisté. Kromě toho několik aktivujících transkripčních faktorů (ATF) může částečně ovlivnit genovou expresi vazbou na místa CRE. Nedávné studie zahrnovaly tyto různé transkripční faktory do odpovědí na léky. Amfetamin indukuje expresi ICER v nucleus accumbens a nadměrná exprese ICER v této oblasti pomocí přenosu genu zprostředkovaného viry zvyšuje citlivost zvířete na behaviorální účinky léčiva.46) To je v souladu s výše uvedenými zjištěními, že lokální nadměrná exprese dominantních negativních CREB mutantů nebo místní zničení CREB má podobné účinky. Amfetamin také indukuje ATF2, ATF3 a ATF4 v nucleus accumbens, zatímco ATF1 nebo CREM neovlivňuje žádný účinek.47) ATF2 nadměrná exprese v této oblasti, jako je ICER, zvyšuje reakce na chování amfetaminu, zatímco nadměrná exprese ATF3 nebo ATF4 má opačný účinek. Velmi málo je známo o cílových genech těchto různých proteinů rodiny CREB, což je důležitý směr pro budoucí výzkum.

NFκB

Jaderný faktor-κB (NFκB), transkripční faktor, který je rychle aktivován různými stimuly, je nejlépe studován za jeho úlohu při zánětu a imunitní odpovědi. Nedávno bylo prokázáno, že je důležité v synaptické plasticitě a paměti.48) NFκB je indukován v nucleus accumbens opakovaným podáváním kokainu,49,50) kde je to nutné pro indukci kokainu dendritickými ostny středních ostnatých neuronů nucleus accumbens. Taková indukce NFKB přispívá k senzibilizaci k prospěšným účinkům léku.50) Hlavním cílem současného výzkumu je identifikovat cílové geny, kterými NFκB způsobuje tuto buněčnou a behaviorální plasticitu.

Je zajímavé, že indukce kokainu NFκB je zprostředkována prostřednictvím nadměrné exprese ΔFosB: ΔFosB v nucleus accumbens indukuje NFκB, zatímco nadměrná exprese ΔcJun dominantního negativního bloku indukuje indukci transkripčního faktoru kokainem.21,49) Regulace NFκB pomocí ΔFosB ilustruje komplexní transkripční kaskády podílející se na účinku léku. NFκB se také podílí na některých neurotoxických účincích metamfetaminu v striatálních oblastech.51) Úloha NFκB v spinogenezi středních spinálních neuronů byla nedávno rozšířena na modely stresu a deprese,52) což je zvláště důležité vzhledem k komorbiditě deprese a závislosti a dobře studovanému jevu stresově indukovaného relapsu k užívání drog.

MEF2

Faktor-2 zvyšující myocyty (MEF2) byl objeven za svou úlohu při řízení srdeční myogeneze. Více důsledně, MEF2 byl zapojen do funkce mozku.53) Více izoforiem MEF2 je exprimováno v mozku, včetně středních špinavých neuronů jádra accumbens, kde tvoří homo- a heterodimery, které mohou aktivovat nebo potlačit genový transkripci v závislosti na povaze proteinů, které oni získají. Nedávná práce popisuje možný mechanismus, kterým chronický kokain potlačuje aktivitu MEF2 v nucleus accumbens částečně prostřednictvím inhibice kalcinerinu, Ca1⁺dependentní proteinové fosfatázy.28) Kokainová regulace Cdk5, která je také cílem pro kokain a ΔFosB, jak bylo uvedeno výše, může být také zahrnuto. Toto snížení aktivity MEF2 je zapotřebí pro indukci dendritických tkání na kokainu na středních spiny neuronech. Důležitým zaměřením současné práce je identifikace cílových genů pomocí MEF2, který vyvolává tento efekt.

BUDOUCÍ POKYNY

Transkripční faktory diskutované výše jsou jen některé z mnoha, které byly v průběhu let studovány v modelech závislostí. Mezi jiné, které se podílejí na závislostech, patří glukokortikoidní receptor, faktor transkripce nucleus accumbens 1 (NAC1), faktory včasné růstové reakce (EGR) a signální transduktory a aktivátory transkripce (STATs).1,2) Jako jeden příklad je nutný glukokortikoidní receptor u dopaminoceptivních neuronů pro hledání kokainu.54) Cílem budoucího výzkumu je získat komplexnější pohled na transkripční faktory indukované v nucleus accumbens a jiných oblastech odměňování mozku jako odpověď na chronickou expozici zneužívajícím lékům a definovat rozsah cílových genů, které ovlivňují, aby přispěli k behaviorálnímu fenotypu závislosti.

Dalším hlavním cílem budoucího výzkumu je vymezit přesné molekulární kroky, kterými tyto různé transkripční faktory regulují své cílové geny. Nyní tedy víme, že transkripční faktory řídí genovou expresi tím, že se do svých cílových genů rekrutují řada koaktivačních nebo ko-represorových proteinů, které dohromady regulují strukturu chromatinu kolem genů a následné získání komplexu RNA polymerázy II, který katalyzuje transkripce.4) Například nedávný výzkum prokázal, že schopnost ΔFosB indukovat gen cdk5 se vyskytuje společně se získáním histon acetyltransferasy a příbuzných proteinů pro remodelování chromatinu k genu.55) Naproti tomu schopnost ΔFosB potlačit gen c-Fos se vyskytuje společně se získáváním histon deacetylázy a pravděpodobně několika dalšími represivními proteiny, jako je represivní histonmethyltransferáza (Obr. 3).2,9,31) Vzhledem k tomu, že stovky chromatinových regulačních proteinů jsou pravděpodobné, že se objeví na gen v souladu s jeho aktivace nebo represí, je tato práce jen špičkou ledovce, která obsahuje obrovské množství informací, které je třeba objevit v následujících letech.

    

Obr. 3

Epigenetické mechanismy působení ΔFosB. Obrázek znázorňuje velmi odlišné důsledky, pokud se ΔFosB váže na gen, který aktivuje (např. Cdk5) proti represím (např. c-Fos). Na Cdk5 promotor (A), ΔFosB rekrutuje histon ...

Vzhledem k tomu, že je dosaženo pokroku při identifikaci cílových genů pro transkripční faktory regulované léky, budou tyto informace poskytovat stále širší šablonu, která může být použita k vedení snah o objevování léků. Doufáme, že nové léčebné postupy budou vyvinuty na základě těchto dramatických pokroků v našem chápání transkripčních mechanismů, které jsou základem závislosti.

Reference