Transkriptionsmechanismen der Drogenabhängigkeit (2012)

EINFÜHRUNG

Die Erforschung der transkriptionellen Mechanismen der Sucht basiert auf der Hypothese, dass die Regulation der Genexpression ein wichtiger Mechanismus ist, durch den chronischer Drogenkonsum zu lang anhaltenden Veränderungen im Gehirn führt, welche die Verhaltensauffälligkeiten bedingen, die einen Suchtzustand kennzeichnen. ^1,2 Eine Folgerung aus dieser Hypothese ist, dass Veränderungen in der Funktion verschiedener Neurotransmittersysteme und in der Morphologie bestimmter neuronaler Zelltypen im Gehirn, die durch chronischen Drogenkonsum hervorgerufen werden, teilweise über Veränderungen der Genexpression vermittelt werden.

Natürlich wird nicht jede drogeninduzierte neuronale und Verhaltensplastizität auf Ebene der Genexpression vermittelt, da wir die entscheidende Rolle translationaler und posttranslationaler Modifikationen sowie des Proteintransports bei Suchtphänomenen kennen. Andererseits ist die Regulation der Genexpression ein zentraler Mechanismus und wahrscheinlich besonders wichtig für die lebenslangen Beeinträchtigungen, die Sucht kennzeichnen. Tatsächlich liefert die transkriptionelle Regulation die Grundlage, auf der diese anderen Mechanismen aufbauen.

Die Forschung der letzten rund 15 Jahre hat zunehmend Belege für die Rolle der Genexpression bei Drogenabhängigkeit geliefert. Mehrere Transkriptionsfaktoren – Proteine, die an spezifische Antwortelemente in den Promotorregionen von Zielgenen binden und deren Expression regulieren – wurden mit der Wirkung von Drogen in Verbindung gebracht. Gemäß diesem Schema ( Abb. 1) rufen Drogenmissbrauch über seine initiale Wirkung an der Synapse Veränderungen in Neuronen hervor, die Signale an den Zellkern senden und die Aktivität zahlreicher Transkriptionsfaktoren sowie vieler anderer Arten von transkriptionsregulatorischen Proteinen regulieren. 3) A Diese nukleären Veränderungen verstärken sich mit wiederholtem Drogenkonsum allmählich und führen zu stabilen Veränderungen in der Expression spezifischer Zielgene, die wiederum zu den anhaltenden Veränderungen der neuronalen Funktion beitragen, welche den Zustand der Abhängigkeit aufrechterhalten. 1 , 4)

Diese Übersicht konzentriert sich auf mehrere Transkriptionsfaktoren, von denen gezeigt wurde, dass sie eine wichtige Rolle bei der Sucht spielen. Wir konzentrieren uns weiter auf medikamentenregulierte Transkriptionsfaktoren innerhalb der Belohnungsschaltung des Gehirns, Bereiche des Gehirns, die normalerweise die Reaktionen eines Individuums auf natürliche Belohnungen regulieren (z. B. Nahrung, Geschlecht, soziale Interaktion), aber durch chronische Drogenexposition korrumpiert werden, um Sucht zu verursachen. Diese Gehirnbelohnungsschaltung umfasst dopaminerge Neuronen im ventralen tegmentalen Bereich des Mittelhirns und die verschiedenen Regionen des limbischen Vorderhirns, die sie innervieren, einschließlich Nucleus accumbens (ventrales Striatum), präfrontaler Cortex, Amygdala und Hippocampus. Wie zu sehen sein wird, hat sich die überwiegende Mehrheit der bisherigen Forschung zu Transkriptionsmechanismen der Sucht auf den Nucleus accumbens konzentriert.

ΔFosB

ΔFosB wird vom FosB -Gen kodiert und weist Homologie zu anderen Transkriptionsfaktoren der Fos-Familie auf, darunter c-Fos, FosB, Fra1 und Fra2. 5) Diese Proteine ​​der Fos-Familie bilden Heterodimere mit Proteinen der Jun-Familie (c-Jun, JunB oder JunD) zu aktiven Aktivatorprotein-1 (AP1)-Transkriptionsfaktoren, die an AP1-Bindungsstellen in den Promotoren bestimmter Gene binden und deren Transkription regulieren. Nach akuter Verabreichung vieler Drogen werden diese Proteine ​​der Fos-Familie in spezifischen Hirnregionen schnell und vorübergehend induziert ( Abb. 2 ). 2) Diese Reaktionen sind besonders im Nucleus accumbens und im dorsalen Striatum zu beobachten, treten aber auch in anderen Hirnarealen auf. 6) Alle diese Proteine ​​der Fos-Familie sind jedoch sehr instabil und kehren innerhalb weniger Stunden nach der Drogenverabreichung auf den Ausgangswert zurück.

Nach chronischer Verabreichung von Drogenmissbrauch zeigen sich sehr unterschiedliche Reaktionen ( Abb. 2 ). Biochemisch modifizierte Isoformen von ΔFosB (M _{_r} 35–37 kDa) reichern sich nach wiederholter Drogenexposition in denselben Hirnregionen an, während alle Mitglieder der Fos-Familie eine Toleranz entwickeln (d. h. eine im Vergleich zur ersten Drogenexposition reduzierte Induktion).^7–9 Eine solche Akkumulation von ΔFosB wurde für nahezu alle Drogenmissbrauchsmittel beobachtet, wobei sich die verschiedenen Substanzen hinsichtlich des relativen Induktionsgrades im Nucleus accumbens (Kern vs. Schale), im dorsalen Striatum und anderen Hirnregionen unterscheiden. ^2,6 Zumindest bei einigen Drogenmissbrauchsmitteln scheint die Induktion von ΔFosB selektiv für die Dynorphin-haltige Untergruppe der mittelgroßen Stachelneuronen zu sein – jene, die überwiegend D1-Dopaminrezeptoren exprimieren – innerhalb striataler Regionen. Die 35–37 kDa großen Isoformen von ΔFosB dimerisieren überwiegend mit JunD und bilden so einen aktiven und lang anhaltenden AP-1-Komplex in diesen Hirnregionen ( 7 , 10). Es gibt jedoch Hinweise aus In-vitro -Studien, dass ΔFosB auch Homodimere bilden kann (11) . Die medikamentöse Induktion von ΔFosB im Nucleus accumbens scheint eine Reaktion auf die pharmakologischen Eigenschaften des jeweiligen Medikaments zu sein und nicht mit der willentlichen Medikamenteneinnahme zusammenzuhängen, da Tiere, die sich selbst Kokain verabreichen oder gleichzeitig eine Medikamenteninjektion erhalten, eine vergleichbare Induktion dieses Transkriptionsfaktors in dieser Hirnregion zeigen (6) . Im Gegensatz dazu erfordert die ΔFosB-Induktion in bestimmten anderen Regionen, beispielsweise im orbitofrontalen Kortex, die willentliche Verabreichung von Medikamenten (12) .

Die 35–37 kDa großen ΔFosB-Isoformen reichern sich aufgrund ihrer außergewöhnlich langen Halbwertszeiten bei chronischer Medikamentenexposition an.^7–13 Aufgrund dieser Stabilität bleibt das ΔFosB-Protein in Neuronen mindestens mehrere Wochen nach Absetzen des Medikaments nachweisbar. Diese Stabilität beruht auf zwei Faktoren: 1) dem Fehlen zweier Degron-Domänen in ΔFosB, die sich am C-Terminus des vollständigen FosB-Proteins und aller anderen Proteine ​​der Fos-Familie befinden und deren schnellen Abbau bewirken, und 2) der Phosphorylierung von ΔFosB am N-Terminus durch Caseinkinase 2 und möglicherweise weitere Proteinkinasen. ^14–16 Die Stabilität der ΔFosB-Isoformen stellt einen neuen molekularen Mechanismus dar, durch den medikamenteninduzierte Veränderungen der Genexpression trotz relativ langer Absetzphasen fortbestehen können. Wir haben daher vorgeschlagen, dass ΔFosB als ein anhaltender „molekularer Schalter“ fungiert, der dazu beiträgt , einen Abhängigkeitszustand einzuleiten und aufrechtzuerhalten. 1,2 )

CREB

Das cAMP-Response-Element-bindende Protein (CREB) ist einer der am besten untersuchten Transkriptionsfaktoren in den Neurowissenschaften und spielt eine Rolle bei verschiedenen Aspekten der neuronalen Plastizität.³³ Es bildet Homodimere, die an cAMP-Response-Elemente (CREs) von Genen binden können. Die Transkription wird jedoch primär nach Phosphorylierung an Ser133 (durch verschiedene Proteinkinasen) aktiviert. Dadurch wird das CREB-bindende Protein (CBP) rekrutiert, welches anschließend die Transkription fördert. Der Mechanismus, durch den die CREB-Aktivierung die Expression bestimmter Gene hemmt, ist noch nicht vollständig verstanden.

Sowohl Psychostimulanzien (Kokain und Amphetamin) als auch Opiate erhöhen die CREB-Aktivität akut und chronisch – gemessen anhand erhöhter Phospho-CREB-Spiegel (pCREB) oder Reportergenaktivität in CRE-LacZ-transgenen Mäusen – in verschiedenen Hirnregionen, darunter dem Nucleus accumbens und dem dorsalen Striatum. ^34–36 Der zeitliche Verlauf dieser Aktivierung unterscheidet sich deutlich von dem der ΔFosB-Aktivierung. Wie in Abb. 2 dargestellt , ist die CREB-Aktivierung nach akuter Drogengabe nur vorübergehend und normalisiert sich innerhalb von ein bis zwei Tagen nach Absetzen der Substanzen. Zudem findet die CREB-Aktivierung sowohl in den Dynorphin- als auch in den Enkephalin-Subtypen mittelgroßer Stachelneuronen statt.³⁴ Im Gegensatz zu Kokain und Opiaten zeigt CREB komplexere und vielfältigere Reaktionen auf andere Drogen.⁴

Experimente mit der induzierbaren Überexpression von CREB oder einer dominant-negativen Mutante in bitransgenen Mäusen oder mit viralen Vektoren haben gezeigt, dass die Aktivierung von CREB – im deutlichen Gegensatz zu ΔFosB – im Nucleus accumbens die belohnende Wirkung von Kokain und Opiaten in Konditionierungstests verringert. ^37,38 Dennoch fördert die CREB-Aktivierung, ähnlich wie die ΔFosB-Induktion, die Selbstverabreichung von Drogen. ³⁹ Wichtig ist, dass die Effekte von dominant-negativem CREB durch induzierbare Knockdowns der endogenen CREB-Aktivität bestätigt wurden. ^39–41 Interessanterweise treiben beide Transkriptionsfaktoren die willentliche Drogenaufnahme an; vermutlich bewirkt ΔFosB dies über positive Verstärkung, während CREB diesen Phänotyp über negative Verstärkung induziert. Letztere Möglichkeit steht im Einklang mit zahlreichen Belegen dafür, dass die CREB-Aktivität in dieser Hirnregion einen negativen emotionalen Zustand hervorruft. ^34,42

Die CREB-Aktivität ist direkt mit der funktionellen Aktivität mittelgroßer Stachelneuronen im Nucleus accumbens verknüpft. Eine Überexpression von CREB erhöht, während dominant-negatives CREB die elektrische Erregbarkeit dieser Neuronen verringert.⁴³ Mögliche Unterschiede zwischen Dynorphin- und Enkephalin-Neuronen wurden bisher nicht untersucht. Die Beobachtung, dass eine virusvermittelte Überexpression einer K^⁺-Kanal-Untereinheit im Nucleus accumbens, welche die Erregbarkeit mittelgroßer Stachelneuronen verringert, die lokomotorischen Reaktionen auf Kokain verstärkt, legt nahe, dass CREB die Verhaltenssensibilisierung gegenüber Kokain durch die Steigerung der neuronalen Erregbarkeit hemmt.⁴³

Drogenmissbrauch aktivieren CREB in mehreren Hirnregionen jenseits des Nucleus accumbens. Ein Beispiel ist der ventrale tegmentale Bereich, in dem die chronische Verabreichung von Kokain oder Opiaten das CREB in dopaminergen und nicht-dopaminergen Neuronen aktiviert. Dieser Effekt scheint die lohnenden Reaktionen von Drogen abhängig von der betroffenen Subregion des ventralen Tegmentbereichs zu fördern oder abzuschwächen.

Zahlreiche Zielgene für CREB wurden mittels offener und Kandidatengen-Ansätze identifiziert. Diese Gene vermitteln die beschriebenen und weitere Effekte auf mittelgroße Stachelneuronen des Nucleus accumbens und den daraus resultierenden CREB-Verhaltensphänotyp. ^{18 , 32 , 36} Ein prominentes Beispiel ist das Opioidpeptid Dynorphin,³⁷ das, wie bereits erwähnt, die dopaminerge Signalübertragung zum Nucleus accumbens hemmt. ^{24 , 25} Auch bestimmte Glutamatrezeptor-Untereinheiten, wie die AMPA-Untereinheit GluA1 und die NMDA-Untereinheit GluN2B, sowie K^⁺ - und Na ^⁺-Ionenkanal-Untereinheiten sind beteiligt. Sie dürften gemeinsam die Erregbarkeit der Zellen im Nucleus accumbens regulieren. ^{43 , 44} BDNF ist ein weiteres Zielgen für CREB im Nucleus accumbens und ebenfalls an der Vermittlung des CREB-Verhaltensphänotyps beteiligt. 35) Es wurde auch gezeigt, dass die CREB-Induktion zur Kokaininduktion von dendritischen Dornen an mittelgroßen Stachelneuronen des Nucleus accumbens beiträgt. 45)

CREB ist nur eines von mehreren verwandten Proteinen, die an CREs binden und die Transkription von Zielgenen regulieren. Mehrere Produkte des cAMP-Response-Element-Modulator-Gens (CREM) regulieren die CRE-vermittelte Transkription. Einige dieser Produkte (z. B. CREM) wirken als Transkriptionsaktivatoren, während andere (z. B. ICER oder der induzierbare cAMP-Repressor) als endogene dominant-negative Antagonisten fungieren. Darüber hinaus können verschiedene aktivierende Transkriptionsfaktoren (ATFs) die Genexpression teilweise durch Bindung an CRE-Stellen beeinflussen. Jüngste Studien haben diese verschiedenen Transkriptionsfaktoren mit Arzneimittelwirkungen in Verbindung gebracht. Amphetamin induziert die ICER-Expression im Nucleus accumbens, und die Überexpression von ICER in dieser Region mittels viral vermitteltem Gentransfer erhöht die Empfindlichkeit eines Tieres gegenüber den Verhaltenswirkungen des Medikaments.⁴⁶ Dies steht im Einklang mit den oben zitierten Befunden, dass die lokale Überexpression dominant-negativer CREB-Mutanten oder die lokale Herunterregulierung von CREB ähnliche Effekte hervorruft. Amphetamin induziert im Nucleus accumbens auch ATF2, ATF3 und ATF4, während für ATF1 und CREM keine Wirkung beobachtet wird.⁴⁷ Die Überexpression von ATF2 in dieser Region verstärkt, ähnlich wie die von ICER, die Verhaltensreaktionen auf Amphetamin, wohingegen die Überexpression von ATF3 oder ATF4 den gegenteiligen Effekt hat. Über die Zielgene dieser verschiedenen Proteine ​​der CREB-Familie ist bisher nur wenig bekannt; dies stellt einen wichtigen Ansatzpunkt für zukünftige Forschung dar.

NFκB

Der nukleäre Faktor κB (NFκB), ein Transkriptionsfaktor, der durch verschiedene Reize rasch aktiviert wird, ist vor allem für seine Rolle bei Entzündungen und Immunreaktionen erforscht. Neuere Studien zeigen jedoch auch seine Bedeutung für synaptische Plastizität und das Gedächtnis.⁴⁸ Wiederholte Kokainverabreichung induziert NFκB im Nucleus accumbens, ^49,50 wo er für die Kokain-induzierte Bildung dendritischer Dornen an mittelgroßen Stachelneuronen des Nucleus accumbens erforderlich ist. Diese NFκB-Induktion trägt zur Sensibilisierung gegenüber den belohnenden Wirkungen der Droge bei.⁵⁰ Ein Hauptziel aktueller Forschung ist die Identifizierung der Zielgene, über die NFκB diese zelluläre und verhaltensbezogene Plastizität bewirkt.

Interessanterweise wird die Kokaininduktion von NFκB über ΔFosB vermittelt: Die Überexpression von ΔFosB im Nucleus accumbens induziert NFκB, während die Überexpression des dominant-negativen ΔcJun die Kokaininduktion des Transkriptionsfaktors blockiert. ^21,49 Die Regulation von NFκB durch ΔFosB verdeutlicht die komplexen Transkriptionskaskaden, die an der Wirkung von Drogen beteiligt sind. NFκB wurde zudem mit einigen neurotoxischen Effekten von Methamphetamin in striatalen Regionen in Verbindung gebracht. ⁵¹ Die Rolle von NFκB bei der Spinogenese mittelgroßer Stachelneuronen wurde kürzlich auf Stress- und Depressionsmodelle ausgeweitet.⁵² Dieser Befund ist besonders wichtig angesichts der Komorbidität von Depression und Sucht sowie des gut untersuchten Phänomens des stressinduzierten Rückfalls in den Drogenmissbrauch.

MEF2

Der Myozyten-Enhancer-Faktor 2 (MEF2) wurde aufgrund seiner Rolle bei der Steuerung der kardialen Myogenese entdeckt. In jüngerer Zeit wurde MEF2 auch mit Hirnfunktionen in Verbindung gebracht.⁵³ Mehrere MEF2-Isoformen werden im Gehirn exprimiert, unter anderem in den mittelgroßen Stachelneuronen des Nucleus accumbens. Dort bilden sie Homo- und Heterodimere, die die Gentranskription je nach Art der rekrutierten Proteine ​​aktivieren oder reprimieren können. Jüngste Arbeiten beschreiben einen möglichen Mechanismus, durch den chronischer Kokainkonsum die MEF2-Aktivität im Nucleus accumbens teilweise über eine D1-Rezeptor-cAMP-abhängige Hemmung von Calcineurin, einer Ca²⁺-abhängigen Proteinphosphatase, unterdrückt ^. ²⁸ Die Kokainregulation von Cdk5, das, wie bereits erwähnt, ebenfalls ein Zielmolekül von Kokain und ΔFosB ist, könnte ebenfalls beteiligt sein. Diese Reduktion der MEF2-Aktivität ist für die Kokaininduktion der dendritischen Dornenbildung an mittelgroßen Stachelneuronen erforderlich. Ein wichtiger Schwerpunkt der aktuellen Arbeit liegt in der Identifizierung der Zielgene, durch die MEF2 diesen Effekt hervorruft.

ZUKÜNFTIGE RICHTUNGEN

Die oben genannten Transkriptionsfaktoren sind nur einige wenige von vielen, die im Laufe der Jahre in Suchtmodellen untersucht wurden. Weitere an der Sucht beteiligte Faktoren sind der Glukokortikoidrezeptor, der Transkriptionsfaktor NAC1 (Nucleus accumbens 1), frühe Wachstumsreaktionsfaktoren (EGRs) und Signaltransduktoren und Aktivatoren der Transkription (STATs). ^1,2 Beispielsweise ist der Glukokortikoidrezeptor in dopaminergen Neuronen für das Kokainverlangen erforderlich. ⁵⁴ Ziel zukünftiger Forschung ist es, ein umfassenderes Bild der im Nucleus accumbens und anderen Belohnungszentren des Gehirns induzierten Transkriptionsfaktoren als Reaktion auf chronischen Drogenkonsum zu gewinnen und die Bandbreite der von ihnen beeinflussten Zielgene zu definieren, die zum Verhaltensphänotyp der Sucht beitragen.

Ein weiteres wichtiges Ziel zukünftiger Forschung ist die Aufklärung der präzisen molekularen Schritte, durch die diese verschiedenen Transkriptionsfaktoren ihre Zielgene regulieren. Wir wissen heute, dass Transkriptionsfaktoren die Genexpression steuern, indem sie eine Reihe von Co-Aktivatoren oder Co-Repressoren an ihre Zielgene rekrutieren. Diese regulieren gemeinsam die Chromatin-Struktur um die Gene und die anschließende Rekrutierung des RNA-Polymerase-II-Komplexes, der die Transkription katalysiert.⁴ Beispielsweise hat die jüngste Forschung gezeigt, dass die Fähigkeit von ΔFosB, das cdk5-Gen zu induzieren, mit der Rekrutierung einer Histon-Acetyltransferase und verwandter Chromatin-Remodellierungsproteine ​​an das Gen einhergeht.⁵⁵ Im Gegensatz dazu erfolgt die Fähigkeit von ΔFosB, das c-Fos-Gen zu reprimieren, in Verbindung mit der Rekrutierung einer Histon-Deacetylase und vermutlich mehrerer anderer repressiver Proteine, wie beispielsweise einer repressiven Histon-Methyltransferase ( Abb. 3 ). 2 , 9 , 31) Angesichts der Tatsache, dass wahrscheinlich Hunderte von Chromatin-Regulationsproteinen im Zusammenhang mit der Aktivierung oder Repression eines Gens rekrutiert werden, ist diese Arbeit nur die Spitze des Eisbergs der riesigen Informationsmengen, die in den kommenden Jahren entdeckt werden müssen.

    

Abb. 3

Epigenetische Mechanismen der ΔFosB-Wirkung. Die Abbildung zeigt die sehr unterschiedlichen Konsequenzen, wenn ΔFosB an ein Gen bindet, das es aktiviert (z. B. Cdk5) gegen Repressionen (zB c-Fos). Bei der Cdk5 Promotor (A), ΔFosB rekrutiert Histon ...

Mit den Fortschritten bei der Identifizierung von Zielgenen für arzneimittelregulierte Transkriptionsfaktoren wird diese Information eine zunehmend vollständige Vorlage liefern, die als Leitfaden für die Bemühungen zur Wirkstoffforschung dienen kann. Es besteht die Hoffnung, dass auf der Grundlage dieser dramatischen Fortschritte in unserem Verständnis der der Sucht zugrunde liegenden Transkriptionsmechanismen neue medikamentöse Behandlungen entwickelt werden.

Referenzen