Narkotiku atkarības transkripcijas mehānismi (2012)

IEVADS

Atkarības transkripcijas mehānismu izpēte ir balstīta uz hipotēzi, ka gēnu ekspresijas regulēšana ir viens no svarīgākajiem mehānismiem, ar kuru hroniska iedarbība pret ļaunprātīgu izmantošanu izraisa ilgstošas ​​izmaiņas smadzenēs, kas ir pamatā uzvedības novirzēm, kas nosaka atkarības stāvokli.1,2) Šīs hipotēzes rezultāts ir tāds, ka vairāku neirotransmiteru sistēmu darbībā un dažu smadzeņu neironu šūnu tipu morfoloģijā izraisītās pārmaiņas ar hronisku zāļu lietošanu daļēji tiek saistītas ar gēnu ekspresijas izmaiņām.

Protams, ne visas narkotiku izraisītās neirālās un uzvedības plastiskums tiek ietekmēts gēnu ekspresijas līmenī, jo mēs zinām, ka būtiska nozīme ir translācijas un posttranslācijas modifikācijām un olbaltumvielu tirdzniecībai atkarības parādībās. No otras puses, gēnu ekspresijas regulēšana ir viens no galvenajiem mehānismiem un, visticamāk, ir īpaši svarīga mūža garumā, kas raksturo atkarību. Patiešām, transkripcijas regulējums nodrošina veidni, kurā darbojas šie citi mehānismi.

Darbs pēdējo ~ 15 gadu laikā ir sniedzis aizvien lielākus pierādījumus par gēnu ekspresijas nozīmi narkotiku atkarībā, jo ir iesaistīti vairāki transkripcijas faktori - olbaltumvielas, kas saistās ar specifiskiem atbildes elementiem mērķa gēnu promotoru reģionos un regulē šo gēnu izpausmi. narkotiku darbībā. Saskaņā ar šo shēmu parādīts Fig. 1ļaunprātīgas lietošanas narkotikas, izmantojot sākotnējās darbības sinapses laikā, rada pārmaiņas neironos, kas signalizē uz kodolu, un regulē daudzu transkripcijas faktoru un daudzu citu veidu transkripcijas regulējošo proteīnu aktivitāti.3) A Šīs kodolenerģijas izmaiņas pakāpeniski un pakāpeniski veidojas ar atkārtotu zāļu iedarbību un pamato stabilas izmaiņas specifisku mērķa gēnu ekspresijā, kas savukārt veicina ilgstošas ​​izmaiņas neironu funkcijā, kas saglabā atkarības stāvokli.1,4)

Šis pārskats koncentrējas uz vairākiem transkripcijas faktoriem, kuriem ir pierādīts, ka tiem ir svarīga loma atkarības veidošanā. Tālāk mēs koncentrējamies uz narkotiku regulētiem transkripcijas faktoriem smadzeņu atalgojuma shēmā, smadzeņu apgabalos, kas parasti regulē indivīda reakciju uz dabiskām atlīdzībām (piemēram, pārtiku, dzimumu, sociālo mijiedarbību), bet hroniska narkotiku iedarbība korumpē, lai izraisītu atkarību. Šī smadzeņu atlīdzības shēma ietver dopamīnerģiskos neironus vidus smadzeņu ventrālajā tegmentālajā zonā un vairākos limbisko priekšējo smadzeņu reģionos, kurus tie inervē, ieskaitot nucleus accumbens (ventral striatum), prefrontālo garozu, amygdala un hipokampu. Kā redzēsim, līdz šim lielākā daļa pētījumu par atkarības transkripcijas mehānismiem ir koncentrējušies uz kodolu.

ΔFosB

ΔFosB ir kodēts FosB gēns un dalās homoloģijā ar citiem Fos ģimenes transkripcijas faktoriem, kas ietver c-Fos, FosB, Fra1 un Fra2.5) Šīs Fos ģimenes olbaltumvielas heterodimerizējas ar jūnija ģimenes olbaltumvielām (c-Jun, JunB vai JunD), lai veidotu aktīvus aktivatora proteīna-1 (AP1) transkripcijas faktorus, kas saistās ar AP1 vietām, kas atrodas noteiktu gēnu promotoros, lai regulētu to transkripciju. Šie Fos ģimenes proteīni tiek ātri un īslaicīgi inducēti specifiskos smadzeņu reģionos pēc daudzu ļaunprātīgas lietošanas zāļu lietošanas.Fig. 2).2) Šīs reakcijas ir visnozīmīgākās kodolkrūšu un muguras striatumā, bet arī vairākās citās smadzeņu zonās.6) Tomēr visi šie Fos ģimenes proteīni ir ļoti nestabili un pēc stundas pēc zāļu ievadīšanas atgriežas pie bazālā līmeņa.

Ļoti atšķirīgas reakcijas novērotas pēc ilgstošas ​​zāļu lietošanas.Fig. 2). ΔFosB bioķīmiski modificētās izoformas (M_r 35-37 kD) pēc atkārtotas zāļu iedarbības uzkrājas vienā smadzeņu reģionā, turpretī visiem Fos ģimenes locekļiem ir tolerance (ti, samazināta indukcija salīdzinājumā ar sākotnējo zāļu iedarbību).7-9) Šāda ΔFosB uzkrāšanās ir novērota gandrīz visās ļaunprātīgas lietošanas zālēs, lai gan atšķirīgas zāles nedaudz atšķiras relatīvajā indukcijas pakāpē, kas novērota kodolkrāsas kodolā pret čaumalu, muguras striatumu un citiem smadzeņu reģioniem.2,6) Vismaz dažām ļaunprātīgas lietošanas narkotikām ΔFosB indukcija šķiet selektīva vidēja muguras neironu, kas satur dinorfīnu, apakšgrupai - tiem, kas pārsvarā ekspresē D1 dopamīna receptorus - striatālajos reģionos. ΔFosB 35-37 kD izoformas pārsvarā dimerizējas ar JunD, veidojot aktīvu un ilgstošu AP-1 kompleksu šajos smadzeņu reģionos,7,10) lai gan ir daži pierādījumi in vitro pētījumi, ka ΔFosB var veidot homodimērus.11) Šķiet, ka ΔFosB narkotiku indukcija kodolkrāsās ir atbilde uz zāļu farmakoloģiskajām īpašībām. per se un kas nav saistīti ar narkotiku lietošanu, jo dzīvnieki, kas paši lieto kokaīnu vai saņem dzeltenus zāļu injekcijas, uzrāda šo transkripcijas faktoru līdzvērtīgu indukciju šajā smadzeņu reģionā.6) Pretstatā tam, ΔFosB indukcija dažos citos reģionos, piemēram, orbitofrontālā garozā, prasa zāļu ievadīšanu.12)

35-37 kD ΔFosB izoformas uzkrājas ar hronisku zāļu iedarbību, ņemot vērā to ārkārtīgi garo pusperiodu.7-13) Stabilitātes rezultātā ΔFosB proteīns neironiem saglabājas vismaz vairākas nedēļas pēc zāļu iedarbības pārtraukšanas. Tagad mēs zinām, ka šī stabilitāte ir saistīta ar diviem faktoriem: 1) divu degronu domēnu, kas atrodas pilna garuma FosB un visu citu Fos ģimenes olbaltumvielu C-galā, trūkums ΔFosB un mērķa šiem proteīniem uz strauju degradāciju, un 2) ΔFosB fosforilēšana N-galā ar kazeīna kināzes 2 un, iespējams, citu proteīnu kināzi.14-16) ΔFosB izoformu stabilitāte nodrošina jaunu molekulāro mehānismu, ar kura palīdzību zāļu izraisītās izmaiņas gēnu ekspresijā var saglabāties, neskatoties uz relatīvi ilgiem zāļu izņemšanas periodiem. Tāpēc mēs esam ierosinājuši, ka ΔFosB darbojas kā ilgstošs "molekulārais slēdzis", kas palīdz uzsākt un pēc tam uzturēt atkarīgu stāvokli.1,2)

CREB

Cikliskais AMP atbildes elementa saistošais proteīns (CREB) ir viens no visvairāk pētītajiem transkripcijas faktoriem neirozinātnē un ir bijis saistīts ar dažādiem nervu plastiskuma aspektiem.33) Tas veido homodimērus, kas var saistīties ar gēniem cikliskajos AMP atbildes elementos (CRE), bet galvenokārt aktivizē transkripciju pēc tam, kad tas ir fosforilēts pie Ser133 (ar kādu no vairākiem proteīna kināzēm), kas ļauj pieņemt CREB saistošu proteīnu (CBP), kas pēc tam veicina transkripciju. Mazāk labi saprot mehānismu, ar kuru CREB aktivācija apspiež noteiktu gēnu ekspresiju.

Gan psihostimulatori (kokaīns un amfetamīns), gan opiāti palielina CREB aktivitāti, akūti un hroniski - kā mēra ar paaugstinātu fosfo-CREB (pCREB) vai reportiera gēna aktivitāti CRE-LacZ transgēnās pelēs - vairākos smadzeņu reģionos, ieskaitot kodolu accumbens un muguras striatumu .34-36) Šīs aktivācijas laiks ir ļoti atšķirīgs no ΔFosB. Kā attēlots Fig. 2CREB aktivācija ir ļoti pārejoša, reaģējot uz akūtu zāļu ievadīšanu, un atgriežas normālā līmenī dienas vai divu dienu laikā pēc izņemšanas. Turklāt CREB aktivācija notiek gan dinorfīna, gan enkefalīna apakštipos vidēji smailiem neironiem.34) Atšķirībā no kokaīna un opiātiem, CREB rāda sarežģītākas un daudzveidīgākas atbildes uz citām ļaunprātīgas izmantošanas zālēm.4)

Eksperimenti, kas saistīti ar CREB vai dominējošā negatīvā mutanta inducējamu pārmērīgu ekspresiju bitransgeniskajās pelēs vai ar vīrusu vektoriem, ir parādījuši, ka CREB aktivizēšana - pārsteidzoši pretstatā ΔFosB - kodola accumbens mazina kokaīna un opiātu atalgojošo iedarbību, kā novērtēts vietas kondicionēšanā pārbaudes.37,38) Tomēr CREB aktivācija, tāpat kā ΔFosB indukcija, veicina zāļu pašpārvaldi.39) Svarīgi, ka ietekme ar dominējošo negatīvo CREB ir apstiprināta ar inducējamām endogēno CREB aktivitāšu pazīmēm.39-41) Interesanti, ka abu transkripcijas faktoru ietekmē narkotiku uzņemšana; iespējams, ΔFosB to dara ar pozitīvu pastiprinājumu, bet CREB inducē šo fenotipu, izmantojot negatīvu pastiprinājumu. Pēdējā iespēja atbilst ievērojamiem pierādījumiem tam, ka CREB darbība šajā smadzeņu reģionā rada negatīvu emocionālo stāvokli.34,42)

CREB aktivitāte ir tieši saistīta ar kodola accumbens vidējo smadzeņu neironu funkcionālo aktivitāti. CREB pārmērīga ekspresija palielinās, bet dominējošā negatīvā CREB samazinās, vidēji smailu neironu elektriskā uzbudināmība.43) Iespējamās atšķirības starp dinamorfīnu un enkefalīna neironiem vēl nav izpētītas. Novērojums, ka K vīrusa pārmērīga ekspresija⁺ kanāla apakšvienība kodolā accumbens, kas samazina vidējo smailes neironu uzbudināmību, uzlabo lokomotoriskās atbildes reakciju uz kokaīnu, liecina, ka CREB darbojas kā uzvedība uz kokaīna uzvedību, paaugstinot neironu uzbudināmību.43)

Narkotiku lietošana aktivizē CREB vairākos smadzeņu reģionos ārpus kodola. Viens piemērs ir ventrālā tegmentālā zona, kur hroniska kokaīna vai opiātu lietošana aktivizē CREB dopamīnerģiskajos un ne-dopamīnerģiskajos neironos. Šķiet, ka šī iedarbība veicina vai mazina ļaunprātīgas lietošanas narkotiku atbildes reakciju atkarībā no skartās ventrālās tegmentālās zonas apakšreģiona.

Vairāki CREB mērķa gēni ir identificēti, izmantojot gan atvērtus, gan kandidātu gēnu pieejas, kas veicina šo un citu iedarbību uz kodola accumbens vidējiem spiny neironiem un no tā izrietošo CREB uzvedības fenotipu.18,32,36) Galvenie piemēri ir opioīdu peptīda dinorfīns,37) kas baro atpakaļ un nomāc dopamīnerģisko signālu pārraidi uz kodolu accumbens, kā norādīts iepriekš.24,25) Ir iesaistītas arī noteiktas glutamāta receptoru apakšvienības, piemēram, GluA1 AMPA apakšvienība un GluN2B NMDA apakšvienība, kā arī K⁺ un Na⁺ jonu kanālu apakšvienības, kas kopā varētu sagaidīt kodola akumbensu šūnu uzbudināmību.43,44) BDNF joprojām ir vēl viens CREB mērķa gēns kodolkrāsās, un tas arī ir saistīts ar CREB uzvedības fenotipa starpniecību.35) Ir arī pierādīts, ka CREB indukcija veicina kokaīna dendrītu muguriņu indukciju uz nucleus accumbens vidēja muguras neironiem.45)

CREB ir tikai viens no vairākiem saistītiem proteīniem, kas saista CRE un regulē mērķa gēnu transkripciju. Vairāki cikliskā AMP atbildes elementa modulatora (CREM) gēna produkti regulē CRE starpniecību transkripciju. Daži no produktiem (piemēram, CREM) ir transkripcijas aktivatori, bet citi (piemēram, ICER vai inducējamais cikliskais AMP represors) darbojas kā endogēni dominējošie negatīvie antagonisti. Turklāt vairāki aktivējošie transkripcijas faktori (ATF) daļēji var ietekmēt gēnu ekspresiju, saistoties ar CRE vietām. Jaunākie pētījumi ir iekļāvuši šos dažādos transkripcijas faktorus zāļu reakcijās. Amfetamīns inducē ICER ekspresiju nucleus accumbens, un ICER pārmērīga izpausme šajā reģionā, izmantojot vīrusu mediētu gēnu pārnesi, palielina dzīvnieka jutīgumu pret zāļu uzvedības iedarbību.46) Tas ir saskaņā ar iepriekš minētajiem secinājumiem, ka dominējošā negatīvā CREB mutanta pārmērīga ekspresija vai CREB lokālā nolaišanās rada līdzīgu efektu. Amfetamīns arī inducē ATF2, ATF3 un ATF4 kodolkrāsās, bet ATF1 vai CREM iedarbība nav novērota.47) ATF2 pārmērīga ekspresija šajā reģionā, tāpat kā ICER, palielina uzvedības reakciju uz amfetamīnu, bet ATF3 vai ATF4 pārmērīga ekspresija ir pretēja iedarbība. Ļoti maz ir zināms par šo dažādo CREB ģimenes olbaltumvielu mērķgēniem, kas ir svarīgs turpmāko pētījumu virziens.

NFKB

Kodolfaktoru κB (NFkB), transkripcijas faktors, ko ātri aktivizē dažādi stimuli, vislabāk pētīts, lai noteiktu tās lomu iekaisuma un imūnās atbildes reakcijā. Vēl nesen ir pierādīts, ka tas ir svarīgs sinaptiskajā plastitātē un atmiņā.48) NFkB tiek ierosināts kodolkrāsās ar atkārtotu kokaīna lietošanu, \ t49,50) kur tas nepieciešams kokaīna inducēšanai dendrīta mugurkaula kodola accumbens vidēja muguras neironos. Šāda NFκB indukcija veicina sensibilizāciju pret zāļu atalgojošo iedarbību.50) Pašreizējā pētījuma galvenais mērķis ir noteikt mērķa gēnus, caur kuriem NFkB izraisa šo šūnu un uzvedības plastiskumu.

Interesanti, ka NFkB kokaīna indukciju mediē ar ΔFosB: ΔFosB pārmērīga ekspresija kodolkrāsās inducē NFkB, bet ΔcJun dominējošo negatīvo bloku pārmērīga ekspresija transkripcijas faktora indukciju.21,49) NFkB regulēšana ar ΔFosB ilustrē kompleksās transkripcijas kaskādes, kas iesaistītas zāļu darbībā. Arī NFkB ir iesaistīts dažos metamfetamīna neirotoksiskajos efektos striatālajos reģionos.51) NFkB loma vidējā smailes neironu spinogēnēze nesen tika paplašināta, iekļaujot tajā stresa un depresijas modeļus,52) īpaši svarīgs konstatējums, ņemot vērā depresijas un atkarības saslimstību, kā arī labi izpētīta parādība, ka stresa izraisītas recidīvs ir atkarīgs no narkotiku lietošanas.

MEF2

Miocītu pastiprinošais faktors-2 (MEF2) tika atklāts par tās lomu sirds myogenesis kontrolēšanā. Vēlreiz, MEF2 ir iesaistīts smadzeņu darbībā.53) Vairākas MEF2 izoformas tiek ekspresētas smadzenēs, ieskaitot kodolskābes vidus smailes neironus, kur tās veido homo- un heterodimērus, kas var aktivizēt vai apspiest gēnu transkripciju atkarībā no to olbaltumvielu veida, kurus viņi pieņem darbā. Nesenais darbs iezīmē iespējamo mehānismu, ar kura palīdzību hronisks kokaīns nomāc MEF2 aktivitāti kodolkrūmās daļēji ar D1 receptoru-cAMP atkarīgo kalcineirīna, Ca2, inhibīciju.⁺atkarīga proteīna fosfatāze.28) Var būt iesaistīts arī Cdk5 kokainu regulējums, kas ir arī kokaīna un ΔFosB mērķis, kā norādīts iepriekš. Šis MEF2 aktivitātes samazinājums ir nepieciešams dendrītu muguriņu kokaīna indukcijai vidēji smailiem neironiem. Pašreizējā darba svarīgākais mērķis ir noteikt mērķa gēnus caur MEF2, kas rada šo efektu.

NĀKOTNES DIREKCIJAS

Iepriekš aprakstītie transkripcijas faktori ir tikai daži no daudziem, kas gadu gaitā ir pētīti atkarības modeļos. Citi, kas saistīti ar atkarību, ietver glikokortikoīdu receptoru, kodolu accumbens 1 transkripcijas faktoru (NAC1), agrīnās augšanas reakcijas faktorus (EGR) un signālu pārveidotājus un transkripcijas aktivatorus (STATs).1,2) Kā tikai viens piemērs, glikokortikoīdu receptoriem ir nepieciešams dopaminoceptīvie neironi kokaīna meklēšanai.54) Turpmāko pētījumu mērķis ir iegūt pilnīgāku priekšstatu par transkripcijas faktoriem, kas inducēti kodolkrāsās un citos smadzeņu atalgojuma reģionos, reaģējot uz hronisku iedarbību uz narkotikām un definējot mērķa gēnu klāstu, ko tie ietekmē, lai veicinātu uzvedības fenotipu. atkarību.

Otrais svarīgākais turpmāko pētījumu mērķis ir noteikt precīzus molekulāros soļus, ar kuriem šie dažādi transkripcijas faktori regulē mērķa gēnus. Tādējādi mēs tagad zinām, ka transkripcijas faktori kontrolē gēnu ekspresiju, piesaistot to mērķa gēniem virkni līdzaktivatoru vai ko-repressoru olbaltumvielu, kas kopā regulē hromatīna struktūru ap gēniem un turpmāko RNS polimerāzes II kompleksa pieņemšanu, kas katalizē transkripcija.4) Piemēram, nesenie pētījumi ir parādījuši, ka ΔFosB spēja inducēt cdk5 gēnu notiek vienlaicīgi ar histona acetiltransferāzes un saistīto hromatīnu rekonstruēšanas proteīnu piesaisti gēnam.55) Turpretī ΔFosB spēja apspiest c-Fos gēnu notiek kopā ar histona deacetilāzes un, iespējams, vairāku citu represīvu olbaltumvielu, piemēram, represīvas histona metiltransferāzes (vīrusu), pieņemšanu.Fig. 3).2,9,31) Ņemot vērā to, ka simtiem hromatīna regulējošo proteīnu, iespējams, pieņem darbā gēnam kopā ar tās aktivizēšanu vai apspiešanu, šis darbs ir tikai ledus auss gals ar lielu informācijas apjomu, kas ir jāatrod turpmākajos gados.

    

Fig. 3

ΔFosB darbības epigenetiskie mehānismi. Attēlā ilustrētas ļoti atšķirīgās sekas, kad ΔFosB saistās ar gēnu, ko tas aktivizē (piemēram, Cdk5) pret represijām (piemēram, c-Fos). Pie Cdk5 promotors (A), ΔFosB pieņem darbā histonu ...

Tā kā tiek panākts progress, nosakot mērķa gēnus, ko regulē ar narkotikām regulēti transkripcijas faktori, šī informācija nodrošinās arvien pilnīgāku veidni, ko var izmantot, lai vadītu zāļu atklāšanas centienus. Cerams, ka tiks izstrādātas jaunas ārstēšanas metodes, pamatojoties uz šiem dramatiskajiem sasniegumiem, izprotot transkripcijas mehānismus, kas ir atkarības pamatā.

Atsauces