약물 중독의 전사 기작 (2012)

소개

중독의 전사 메커니즘에 대한 연구는 유전자 발현 조절이 남용 약물에 만성 노출 될 때 중독 상태를 정의하는 행동 이상의 기초가되는 뇌에서 오래 지속되는 변화를 야기하는 하나의 중요한 메커니즘이라는 가설에 근거하고있다.1,2) 이 가설의 결론은 만성 약물 투여에 의해 여러 신경 전달 물질 시스템의 기능 및 뇌의 특정 뉴런 세포 유형의 형태에서 유도 된 변화가 유전자 발현의 변화를 통해 부분적으로 매개된다는 것이다.

물론, 중독 관련 현상에서 번역 및 번역 후 변형 및 단백질 밀매의 중요한 기여를 알고 있기 때문에 모든 약물 유발 신경 및 행동 가소성이 유전자 발현 수준에서 매개되는 것은 아닙니다. 다른 한편으로, 유전자 발현의 조절은 하나의 중심 메커니즘이며 중독을 특징 짓는 평생 이상에 특히 중요 할 수있다. 실제로, 전사 조절은 다른 메커니즘이 작동하는 템플릿을 제공합니다.

지난 15 년 동안의 연구는 약물 중독에서 유전자 발현의 역할에 대한 증가하는 증거를 제공했습니다. 여러 전사 인자 (표적 유전자의 프로모터 영역에있는 특정 반응 요소에 결합하고 해당 유전자의 발현을 조절하는 단백질)가 연루 되었기 때문입니다. 마약 활동에서. 이 계획에 따르면 Fig. 1시냅스에서의 초기 작용을 통해 남용 약물은 뉴런 내에서 핵으로 신호를 보내고 수많은 전사 인자 및 다른 많은 유형의 전사 조절 단백질의 활성을 조절하는 변화를 일으킨다.3) A 이러한 핵 변화는 약물 노출이 반복되면서 점차적으로 점진적으로 구축되고 특정 표적 유전자의 발현에 안정적인 변화의 기초가되어 중독 상태를 유지하는 신경 기능의 지속적인 변화에 기여합니다.1,4)

이 리뷰는 중독에서 중요한 역할을하는 것으로 밝혀진 몇 가지 전사 인자에 초점을 맞추고 있습니다. 우리는 뇌의 보상 회로 (예 : 음식, 성별, 사회적 상호 작용)에 대한 개인의 반응을 일반적으로 조절하지만 중독을 유발하는 만성 약물 노출로 인해 손상되는 뇌 영역 인 뇌의 보상 회로 내의 약물 규제 전사 인자에 더 중점을 둡니다. 이 뇌 보상 회로는 중뇌의 복부 피막 영역에있는 도파민 성 뉴런과 이들이 신경을 전달하는 변연 전뇌의 여러 영역을 포함합니다. 여기에는 핵 축축 (복부 선조체), 전두엽 피질, 편도체, 해마 등이 포함됩니다. 보시다시피, 현재까지 중독의 전사 메커니즘에 대한 대부분의 연구는 핵 축에 집중되어 있습니다.

ΔFosB

ΔFosB는 FosB 유전자 및 c-Fos, FosB, Fra1 및 Fra2를 포함하는 다른 Fos 패밀리 전사 인자와 상 동성을 공유한다.5) 이러한 Fos 패밀리 단백질은 Jun 패밀리 단백질 (c-Jun, JunB 또는 JunD)과 이종이 량체 화되어 전사를 조절하기 위해 특정 유전자의 프로모터에 존재하는 AP1 부위에 결합하는 활성 활성화 제 단백질 -1 (AP1) 전사 인자를 형성한다. 이러한 Fos 계열 단백질은 많은 남용 약물을 급성 투여 한 후 특정 뇌 영역에서 신속하고 일시적으로 유도됩니다 (Fig. 2).2) 이러한 반응은 핵 축적 및 등쪽 선조에서 가장 두드러지게 나타나지만 다른 뇌 영역에서도 나타납니다.6) 그러나이 Fos 계열 단백질은 모두 매우 불안정하여 약물 투여 시간 내에 기본 수준으로 돌아갑니다.

만성 약물 남용 관리 후에 매우 다른 반응이 나타난다.Fig. 2). ΔFosB의 생화학 적으로 변형 된 아이소 폼 (M_r 35-37 kD)는 반복적 인 약물 노출 후 동일한 뇌 영역 내에 축적되는 반면, 모든 Fos 가족 구성원은 내성 (즉, 초기 약물 노출과 비교하여 유도 감소)을 나타냅니다.7-9) ΔFosB의 이러한 축적은 사실상 모든 남용 약물에 대해 관찰되었지만, 상이한 약물은 핵 축적 핵 코어 대 셸, 등쪽 선조 및 다른 뇌 영역에서 보여지는 상대적 유도 정도에서 다소 상이하다.2,6) 적어도 일부 남용 약물의 경우, ΔFosB의 유도는 선조체 영역 내에서 D1 도파민 수용체를 주로 발현하는 중간 가시 뉴런의 디노 르핀 함유 하위 집합에 대해 선택적으로 보입니다. ΔFosB의 35-37 kD 동형은 주로 JunD와 이합체 화하여 이러한 뇌 영역 내에서 활성적이고 오래 지속되는 AP-1 복합체를 형성합니다.7,10) 비록 몇 가지 증거가 있지만 체외에서 ΔFosB가 동종이 량체를 형성 할 수 있다는 연구.11) 핵 축적에서 ΔFosB의 약물 유도는 약물의 약리학 적 특성에 대한 반응 인 것으로 보인다 그것 자체로 코카인을 자체 투여하거나 요크 약물 주사를받는 동물은이 뇌 영역에서이 전사 인자의 동등한 유도를 나타 내기 때문에 의약 약물 섭취와 관련이 없습니다.6) 대조적으로, 다른 다른 영역, 예를 들어 안와 전두엽 피질에서의 ΔFosB 유도는 의약 약물 투여를 필요로한다.12)

35-37 kD ΔFosB 이소 형은 매우 긴 반감기로 인해 만성 약물 노출로 축적됩니다.7-13) 안정성의 결과로, ΔFosB 단백질은 약물 노출 중단 후 적어도 몇 주 동안 뉴런에서 지속된다. 우리는 이제이 안정성이 두 가지 요인에 기인한다는 것을 알고있다 : 1) 전장 FosB 및 다른 모든 Fos 패밀리 단백질의 C- 말단에 존재하는 두 개의 degron 도메인의 ΔFosB의 부재로 인해 이들 단백질이 급속한 분해를 목표로한다 2) 카제인 키나제 2 및 아마도 다른 단백질 키나제에 의한 N- 말단에서 ΔFosB의 인산화.14-16) ΔFosB isoforms의 안정성은 약물에 의한 유전자 발현의 변화가 상대적으로 장기간의 약물 철회에도 불구하고 지속될 수있는 새로운 분자 메커니즘을 제공합니다. 따라서 우리는 ΔFosB가 중독 상태를 시작하고 유지하는 데 도움이되는 지속적인 "분자 스위치"로 기능한다고 제안했습니다.1,2)

CREB

순환 AMP 반응 요소 결합 단백질 (CREB)은 신경 과학에서 가장 많이 연구 된 전사 인자 중 하나이며 신경 가소성의 다양한 측면에 연루되어있다.33) 그것은 순환 AMP 반응 요소 (CRE)에서 유전자에 결합 할 수있는 동종이 량체를 형성하지만, Ser133에서 (여러 단백질 키나아제 중 어느 하나에 의해) 인산화 된 후 주로 전사를 활성화시켜, CREB- 결합 단백질 (CBP)을 모집 할 수있게한다 전사를 촉진합니다. CREB 활성화가 특정 유전자의 발현을 억제하는 메커니즘은 잘 알려져 있지 않다.

정신 자극제 (코카인 및 암페타민)와 아편 제 모두 CRE-LacZ 트랜스 제닉 마우스에서 증가 된 phospho-CREB (pCREB) 또는 리포터 유전자 활동으로 측정 된 바와 같이, 핵 축과 등쪽 선조체를 포함한 여러 뇌 영역에서 CREB 활성을 급성 및 만성적으로 증가시킵니다. .34-36) 이 활성화의 시간 과정은 ΔFosB에 의해 나타난 것과 매우 다릅니다. 에 묘사 된대로 Fig. 2, CREB 활성화는 급성 약물 투여에 반응하여 매우 일시적이며, 철수 후 1 내지 2 일 내에 정상 수준으로 되돌아 간다. 또한, CREB 활성화는 중간 가시 뉴런의 디노 르핀 및 엔케팔린 서브 타입 둘 다에서 발생한다.34) 코카인 및 아편 제와는 달리 CREB는 다른 약물 남용에 대해 더 복잡하고 다양한 반응을 보입니다.4)

이중 형질 전환 마우스 또는 바이러스 벡터에서 CREB의 유도 성 과발현 또는 우세한 음성 돌연변이를 포함하는 실험은 ΔFosB와 현저한 대조를 이루는 CREB의 활성화가 핵 축적 체에서 코카인과 아편의 보상 효과를 감소시키는 것으로 나타났습니다. 분석.37,38) 그럼에도 불구하고, ΔFosB 유도와 같은 CREB 활성화는 약물자가 투여를 촉진한다.39) 중요하게도, 지배적 음성 CREB에 대한 효과는 내인성 CREB 활성의 유도 성 녹다운으로 입증되었다.39-41) 두 전사 인자가 의약 약물 섭취를 유발한다는 것은 흥미 롭습니다. 아마도 ΔFosB는 양성 강화를 통해 그렇게하는 반면, CREB는 음성 강화를 통해이 표현형을 유도합니다. 후자의 가능성은이 뇌 영역에서 CREB 활동이 부정적인 감정 상태를 유발한다는 상당한 증거와 일치합니다.34,42)

CREB 활성은 핵 아 쿰벤 중간 가시 뉴런의 기능적 활성과 직접적으로 관련되어있다. CREB 과다 발현은 증가하는 반면, 지배적 음성 CREB는 중간 가시 뉴런의 전기적 흥분성을 감소시킵니다.43) 디노 르핀과 엔케팔린 뉴런 사이의 가능한 차이점은 아직 연구되지 않았습니다. K의 바이러스 매개 과발현 관찰⁺ 중간 가시 신경 흥분을 감소하는 핵 accumbens에서 채널 소 단위 코카인에 대 한 운동 응답을 향상 CREB 신경 흥분을 upregulating 하여 코카인에 대 한 행동 민감성에 브레이크 역할을 제안합니다.43)

남용 약물은 핵 축적을 넘어 여러 뇌 영역에서 CREB를 활성화시킵니다. 하나의 예는 코카인 또는 아편 제의 만성 투여가 도파민 성 및 비 도파민 성 뉴런 내에서 CREB를 활성화시키는 복부 영역이다. 이 효과는 영향을받은 복부 부위의 하위 영역에 따라 남용 약물의 보람 된 반응을 촉진하거나 약화시키는 것으로 보입니다.

CREB에 대한 다수의 표적 유전자는 오픈-엔드 및 후보 유전자 접근법을 통해 확인되었으며, 이는 핵 축적 뉴런 중시 뉴런 및 결과적인 CREB 행동 표현형에 대한 이들 및 다른 효과를 매개한다.18,32,36) 눈에 띄는 예로는 오피오이드 펩타이드 디노 르핀,37) 이는 앞서 언급 한 바와 같이 핵 축적에 대한 도파민 신호를 피드백하고 억제한다.24,25) 또한 글루타메이트 수용체 서브 유닛, 예컨대 GluA1 AMPA 서브 유닛 및 GluN2B NMDA 서브 유닛, 및 K가 또한 관련된다⁺ 및 Na⁺ 함께 핵 축적 세포 흥분성을 제어 할 것으로 예상되는 이온 채널 서브 유닛.43,44) BDNF는 핵 축적에서 CREB에 대한 또 다른 표적 유전자이며, CREB 행동 표현형을 매개하는데도 관련이있다.35) CREB 유도는 또한 코카인이 중추 신경 세포 핵에 수지상 가시를 유도하는 데 기여하는 것으로 나타났습니다.45)

CREB는 CRE에 결합하고 표적 유전자의 전사를 조절하는 여러 관련 단백질 중 하나 일뿐입니다. CREM (cyclic AMP response element modulator) 유전자의 여러 제품은 CRE 매개 전사를 조절합니다. 일부 제품 (예 : CREM)은 전사 활성제 인 반면 다른 제품 (예 : ICER 또는 유도 성 순환 AMP 억제 자)은 내인성 우성 음성 길항제 역할을합니다. 또한 여러 활성화 전사 인자 (ATF)는 CRE 부위에 결합하여 부분적으로 유전자 발현에 영향을 미칠 수 있습니다. 최근 연구는 약물 반응에 이러한 다양한 전사 인자를 연루 시켰습니다. 암페타민은 핵 accumbens에서 ICER 발현을 유도하고 바이러스 매개 유전자 전달을 사용 하여이 영역에서 ICER의 과발현은 약물의 행동 효과에 대한 동물의 민감성을 증가시킵니다.46) 이것은 지배적 음성 CREB 돌연변이 체의 국소 과발현 또는 CREB의 국소 녹다운이 유사한 효과를 발휘한다는 상기 언급 된 결과와 일치한다. 암페타민은 또한 핵 축적에서 ATF2, ATF3 및 ATF4를 유도하지만 ATF1 또는 CREM에는 영향을 미치지 않습니다.47) 이 지역에서 ICER의 것과 같은 ATF2 과발현은 암페타민에 대한 행동 반응을 증가시키는 반면, ATF3 또는 ATF4 과발현은 반대 효과를 갖는다. 미래의 연구를위한 중요한 방향 인 이러한 다양한 CREB 패밀리 단백질의 표적 유전자에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다.

NFκB

다양한 자극에 의해 신속하게 활성화되는 전사 인자 인 핵 인자 -κB (NFκB)는 염증 및 면역 반응에서의 역할에 대해 가장 잘 연구된다. 최근에는 시냅스 가소성과 기억에서 중요한 것으로 나타났습니다.48) NFκB는 반복 코카인 투여에 의해 핵 축적에서 유도되며,49,50) 코카인이 중추 신경 세포의 핵 축 돌기의 수지상 가시를 유도하는 데 필요합니다. 이러한 NFκB 유도는 약물의 보상 효과에 대한 민감화에 기여합니다.50) 현재 연구의 주요 목표는 NFκB가이 세포 및 행동 가소성을 일으키는 표적 유전자를 확인하는 것입니다.

흥미롭게도, NFκB의 코카인 유도는 ΔFosB를 통해 매개된다 : 핵 축적에서 ΔFosB 과발현은 NFκB를 유도하는 한편, ΔcJun 우성 음성 블록의 과발현은 전사 인자의 코카인 유도를 유발한다.21,49) ΔFosB에 의한 NFκB의 조절은 약물 작용에 관여하는 복잡한 전사 캐스케이드를 예시한다. 또한, NFκB는 선조 영역에서 메탐페타민의 일부 신경 독성 효과에 연루되어있다.51) 중간 가시 뉴런 spinogenesis에서 NFκB의 역할은 최근 스트레스와 우울증 모델로 확장되었습니다,52) 우울증과 중독의 동 반성, 그리고 스트레스로 인한 약물 남용으로의 재발의 현상을 고려한 특별한 중요성의 발견.

MEF2

근세포 증강 인자 -2 (MEF2)는 심장 근생을 제어하는 ​​그의 역할에 대해 발견되었다. 최근에는 MEF2가 뇌 기능과 관련이있었습니다.53) 다수의 MEF2 이소 형은 핵 축적 체를 포함하여 뇌에서 발현되며, 여기에서 이들이 동원하는 단백질의 성질에 따라 유전자 전사를 활성화 또는 억제 할 수있는 동종 이종 및 이종이 량체를 형성한다. 최근의 연구는 Ca2의 calcineurin의 D1 수용체 -cAMP- 의존적 억제를 통해 만성 코카인이 핵 축적에서 MEF2 활성을 부분적으로 억제 할 수있는 가능한 메커니즘을 설명합니다.⁺의존성 단백질 포스파타제.28) 앞서 언급 한 바와 같이 코카인 및 ΔFosB의 대상이기도 한 Cdk5의 코카인 조절 또한 관여 할 수있다. MEF2 활성의 이러한 감소는 중간 가시 뉴런에서 수지상 척추의 코카인 유도에 필요하다. 현재 작업의 중요한 초점은 MEF2를 통해 표적 유전자를 식별하여이 효과를 생성하는 것입니다.

향후 방향

위에서 논의 된 전사 인자는 중독 모델에서 수년에 걸쳐 연구 된 많은 것들 중 일부에 지나지 않습니다. 중독에 연루된 다른 것에는 글루코 코르티코이드 수용체, 핵 축적 1 전사 인자 (NAC1), 초기 성장 반응 인자 (EGR), 및 신호 변환기 및 전사 활성화 제 (STAT)가 포함됩니다.1,2) 단지 하나의 예로서, 글루코 코르티코이드 수용체는 코카인 탐색을 위해 도파민 수용성 뉴런에 필요하다.54) 미래 연구의 목표는 남용 약물에 대한 만성 노출에 대한 반응으로 핵 축적 및 기타 뇌 보상 영역에서 유도 된 전사 인자에 대한보다 완전한 견해를 얻고 행동 표현형에 기여하기 위해 영향을 미치는 표적 유전자의 범위를 정의하는 것입니다. 중독의.

미래 연구의 다른 주요 목표는 이러한 다양한 전사 인자가 그들의 표적 유전자를 조절하는 정확한 분자 단계를 묘사하는 것입니다. 따라서, 본 발명자들은 전사 인자가 이들 유전자를 중심으로하는 염색질의 구조를 조절하는 일련의 공동-활성화 제 또는 공동-억제제 단백질을 표적 유전자에 동원함으로써 유전자 발현을 제어한다는 것을 알고있다. 전사.4) 예를 들어, 최근의 연구는 cdk5 유전자를 유도하는 ΔFosB의 능력이 히스톤 아세틸 트랜스퍼 라제 및 관련 염색질 개장 단백질을 유전자에 동원하는 것과 관련하여 발생한다는 것을 입증 하였다.55) 대조적으로, c-Fos 유전자를 억제하는 ΔFosB의 능력은 히스톤 데 아세틸 라제 및 아마도 몇몇 다른 억제 단백질, 예컨대 억제 성 히스톤 메틸 트랜스퍼 라제의 동원과 함께 발생한다 (Fig. 3).2,9,31) 수백 개의 크로 마틴 조절 단백질이 활성화 또는 억제와 함께 유전자로 모집 될 가능성이 높다는 점을 감안할 때,이 연구는 앞으로 몇 년 동안 발견해야 할 방대한 양의 정보가 빙산의 일각에 불과합니다.

    

Fig. 3

ΔFosB 작용의 후 성적 메커니즘. 그림은 ΔFosB가 활성화하는 유전자에 결합 할 때 매우 다른 결과를 보여줍니다 (예 : Cdk5)와 억압 (예 : C-Fos). 에서 Cdk5 프로모터 (A), ΔFosB, 히스톤 모집 ...

약물-조절 전사 인자에 대한 표적 유전자를 확인하는 데 진전이 이루어짐에 따라,이 정보는 약물 발견 노력을 안내하는데 사용될 수있는 점점 더 완전한 템플릿을 제공 할 것이다. 중독의 기초가되는 전사 메커니즘에 대한 우리의 이해에서 이러한 극적인 진보에 기초하여 새로운 약물 치료가 개발 될 것으로 기대된다.

참고자료