- VOLLEDIGE STUDIE
- scicurious uitleg - Dank DeltaFosB voor stressbestendigheid
Nat Neurosci. 2010 juni; 13(6): 745-752. Gepubliceerd online 2010 mei 16. doi: 10.1038 / nn.2551
Vincent Vialou,1 Alfred J. Robison,1, * Quincey C. LaPlant,1, * Herb E. Covington, III,1 David M. Dietz,1 Yoshinori N. Ohnishi,1 Ezekiell Mouzon,1 Augustus J. Rush, III,2 Emily L. Watts,1 Deanna L. Wallace,2, § Sergio D. Iniguez,3 Yoko H. Ohnishi,1 Michel A. Steiner,4 Brandon Warren,3 Vaishnav Krishnan,2 Rachael L. Neve,5 Subroto Ghose,2 Olivier Berton,2, § Carol A. Tamminga,2 en Eric J. Nestler1
Auteursinformatie ► Informatie over auteursrecht en licentie ►
De definitieve bewerkte versie van dit artikel is beschikbaar op Nat Neurosci
Zie andere artikelen in PMC dat citeren het gepubliceerde artikel.
Abstract
In tegenstelling tot de uitgebreide literatuur over stresseffecten op de hersenen, is relatief weinig bekend over de moleculaire mechanismen van veerkracht, het vermogen van sommige individuen om te ontsnappen aan de schadelijke effecten van stress. HVoordat we aantonen dat de transcriptiefactor, ΔFosB, een essentieel mechanisme van veerkracht bij muizen medieert. Inductie van ΔFosB in de nucleus accumbens, een belangrijke regio voor hersenbeloningen, als reactie op chronische sociale nederlaagstress, is zowel noodzakelijk als voldoende voor veerkracht. ΔFosB-inductie is ook vereist voor het vermogen van het standaard antidepressivum, fluoxetine, om gedragspathologie om te keren die wordt veroorzaakt door een sociale nederlaag. ΔFosB produceert deze effecten door de inductie van de GluR2 AMPA glutamaatreceptorsubeenheid, die de reactiviteit van nucleus accumbens neuronen tot glutamaat en door andere synaptische eiwitten vermindert. Samen vormen deze bevindingen een nieuwe moleculaire route die ten grondslag ligt aan zowel veerkracht als antidepressieve werking.
INLEIDING
Mensen die worden blootgesteld aan ernstige stress vertonen zeer uiteenlopende reacties, waarbij sommigen in staat zijn om een crisis te overwinnen terwijl anderen een ernstige psychopathologie ontwikkelen, zoals depressie of posttraumatische stressstoornis (PTSS). Het vermogen om met stressvolle situaties om te gaan, dwz veerkracht, hangt af van de ontwikkeling van adequate gedrags- en psychologische aanpassingen aan chronische stress1,2. Psychologische constructies die veerkracht bevorderen, omvatten betrokkenheid, geduld, optimisme en zelfrespect, evenals het vermogen om emoties te moduleren en adaptief sociaal gedrag te ontwikkelen. Deze eigenschappen impliceren de beloningscircuits van de hersenen, die een kritische bepalende factor lijken te zijn voor de opkomst van pathologische versus veerkrachtige fenotypen.3,4. Neurobiologische correlaten van kwetsbaarheid of stressbestendigheid zijn 2 geïdentificeerd bij mensen, maar de mate waarin ze de oorzaak of het gevolg zijn van gevoeligheid blijft onbekend5.
Onder de huidige knaagdiermodellen van depressie en PTSS is chronische sociale nederlaagstress een ethologisch verantwoorde benadering die fysiologische langetermijnindicatoren induceert.6-8 en gedragsmatig9-11 veranderingen, waaronder sociale vermijding, anhedonie en angstachtige symptomen, waaronder activering van verschillende neurale circuits en neurochemische systemen12-15. De normalisering van sociale vermijding door chronische, maar niet acute, antidepressieve behandeling maakt het een waardevol model voor het onderzoeken van aspecten van depressie en PTSS bij mensen11,16. Een aanzienlijk deel (~ 30%) van chronisch verslagen muizen vermijdt het grootste deel van de negatieve gedragseffecten van de nederlaag10, waardoor experimenteel onderzoek naar veerkracht mogelijk wordt. Hoewel de inductie van verschillende eiwitten in de nucleus accumbens (NAc), een belangrijke regio voor hersenbeloningen, belangrijk is gebleken voor de expressie van depressief gedrag na een nederlaag10,11,17,18er is veel minder bekend over de moleculaire basis van veerkracht die wordt gemedieerd door dit hersengebied. Hier hebben we deze vraag aangepakt door ons te richten op ΔFosB, een transcriptiefactor van de Fos-familie, geïnduceerd in NAc door drugsmisbruik, natuurlijke beloningen en verschillende soorten stress19-21.
RESULTATEN
ΔFosB in NAc bevordert de weerbaarheid tegen sociale nederlaagstress
C57BL / 6J mannelijke muizen werden onderworpen aan tien opeenvolgende dagen van sociale nederlagen10,11en vervolgens opgedeeld in vatbare en veerkrachtige bevolkingsgroepen op basis van een maatstaf voor sociale vermijding (Fig. 1a), wat correleert met verschillende andere depressief-achtige gedragingen10. We vonden een toename in ΔFosB, gemeten door immunohistochemie, in NAc na chronische sociale nederlaag (Fig. 1b, c), met veerkrachtige muizen met de grootste inductie van ΔFosB in zowel kern- als omhullende NAc-subregio's (Fig. 1b, c). Bovendien hebben we een sterke (p <0.01) correlatie waargenomen tussen niveaus van ΔFosB en sociale interactie (r = 0.80, NAc-schaal; r = 0.85, NAc-kern; r = 0.86, hele NAc), wat suggereert dat de mate van ΔFosB-inductie in NAc kan een cruciale bepalende factor zijn voor het feit of een dier een vatbaar versus veerkrachtig fenotype vertoont. Western blot-analyse van NAc-dissecties die kern- en schaalsubregio's bevatten, bevestigde ΔFosB-inductie in alleen veerkrachtige muizen (zie Aanvullende afbeelding 1).
ΔFosB-inductie in NAc door sociale nederlaag zorgt voor veerkracht
Om de functionele consequenties van ΔFosB-inductie te testen, gebruikten we bitransgene muizen die ΔFosB induceerbaar tot overexpressie brengen in het volwassen NAc en dorsale striatum.22. Deze muizen vertoonden een verminderde neiging om sociale vermijding te ontwikkelen na vier of tien dagen sociale nederlaag (Fig. 1d), wat suggereert dat ΔFosB een beschermende actie tegen sociale stress uitoefent. Omgekeerd gebruikten we bitransgene muizen die op induceerbare wijze ΔcJun tot overexpressie brengen, een transcriptioneel inactieve ingekorte cJun-mutant die de activiteit van ΔFosB antagoniseert23,24. In tegenstelling tot muizen die ΔFosB tot overexpressie brengen, zijn muizen die AkcJun tot overexpressie brengen vatbaarder voor chronische sociale nederlagen dan nestgenoten met controle en vertonen maximaal vermijdingsgedrag na 4 dagen van verlies (Fig. 1e). De Akcun-muizen vertoonden ook toegenomen onbeweeglijkheid bij een eendaagse geforceerde zwemtest, evenals verminderde voorkeur voor sucrose, beide geïnterpreteerd als verhoogd depressie-achtig gedrag (Aanvullende afbeelding 2a, b). Echter, ΔFosB of ΔcJun overexpressie veranderde niet verschillende basislijnmetingen van locomotorische activiteit of angstachtig gedrag (Aanvullende afbeelding 2c-f). Samen suggereren deze bevindingen dat verminderde ΔFosB-activiteit in NAc en dorsale striatum positieve, adaptieve reacties vermindert, afgeleid als "coping7", Tot chronische stress.
Gereduceerd ΔFosB in NAc bevordert stressgevoeligheid
Om meer inzicht te krijgen in de gedragsacties van ΔFosB na chronische stress, gebruikten we een langdurige periode van sociale isolatie tijdens de volwassenheid, die depressie-achtige afwijkingen in muizen induceert25 en is een belangrijke risicofactor voor klinische depressie. We observeerden een afname van ΔFosB-niveaus in NAc van sociaal geïsoleerde muizen (Fig. 2a, b). We ontdekten ook dat isolatie muizen dramatisch kwetsbaarder maakt voor sociale nederlagen, en dat deze door isolatie geïnduceerde kwetsbaarheid volledig werd omgekeerd door AOBos selectief in NAc te vatten (Fig.Fig. 2c). Omgekeerd bevorderde de blokkering van de AFSB-functie in NAc door virale overexpressie van ΔJunD in groepsgehoste controlemuizen de gevoeligheid voor sociale nederlagen (Fig. 2c). ΔJunD, zoals ΔcJun, is een N-terminale afgekapte mutant die werkt als een dominant-negatieve antagonist van ΔFosB (Aanvullende afbeelding 3)23. Deze bevindingen impliceren direct basale niveaus van ΔFosB in NAc in stress-kwetsbaarheid.
Effect van sociaal isolement op ΔFosB en op vatbaarheid voor sociale nederlagen
Om de klinische relevantie van deze bevindingen te bestuderen, werden ΔFosB-niveaus gemeten in postmortem menselijke NAc-monsters verkregen van depressieve patiënten en uitgebreid gematchte controles. We vonden een ~ 50% afname in ΔFosB-waarden bij depressieve patiënten (Fig. 2d), die een rol voor ΔFosB in menselijke depressie ondersteunt. De geanalyseerde depressieve mensen omvatten personen die antidepressiva op of na hun dood hadden (Aanvullende tabel 1) en we vonden geen correlatie tussen ΔFosB-niveaus en blootstelling aan antidepressiva. In het licht van onze observatie dat behandeling met antidepressiva ΔFosB-niveaus verhoogt in NAc van de muis (zie hieronder), suggereren deze bevindingen dat het falen om ΔFosB in NAc te induceren een belangrijke determinant kan zijn voor het ontbreken van antidepressieve responsen bij mensen.
ΔFosB in NAc medieert antidepressieve werking
Chronische behandeling met antidepressiva keert de door nederlagen veroorzaakte sociale vermijding van gevoelige muizen terug11. We onderzochten daarom of ΔFosB-inductie in NAc een mechanisme kan zijn, niet alleen voor veerkracht, maar ook voor antidepressieve werking. Niet-versleten controlemuizen behandeld met fluoxetine gedurende 20-dagen onthulden geen veranderingen in sociaal gedrag, maar vertoonden een accumulatie van ΔFosB in NAc-schaal (Fig. 3a, b) en kern (Aanvullende afbeelding 4). Behandeling met fluoxetine van gevoelige muizen veranderde hun sociale vermijding (Fig. 3a), zoals eerder gemeld, en verdere verbeterde ΔFosB-niveaus in NAc (Fig. 3b, Aanvullende afbeelding 4).
ΔFosB-inductie in NAc medieert het antidepressieve effect van fluoxetine
Om de betrokkenheid van dergelijke ΔFosB-inductie in de gedragseffecten van fluoxetine direct te testen, hebben we AJunD of GFP alleen (als een controle) in NAc van eerder verslagen muizen viraal overexpressie gegeven. De helft van de muizen in elke groep werd vervolgens gedurende drie extra weken behandeld met fluoxetine of vehikel. Zoals verwacht toonde de behandeling met fluoxetine van muizen die GFP in NAc tot overexpressie brachten een omkering van sociale vermijding veroorzaakt door chronische sociale nederlaag. Daarentegen blokkeerde overexpressie van ΔJunD dit therapeutisch effect van fluoxetine (Fig. 3c), ondersteunend de hypothese dat ΔFosB-inductie in NAc vereist is voor antidepressieve actie. Bovendien veroorzaakte viraal gemedieerde overexpressie van ΔFosB in het NAc van ratten een significant antidepressivum-achtig effect, gemeten als de afgenomen tijd van immobiliteit op dag 2 van de geforceerde zwemtest (Aanvullende afbeelding 5a). Verdere analyse van het gedrag tijdens deze test onthulde door FMos geïnduceerde stijgingen in zowel zwemmen als klimmen (Aanvullende afbeelding 5b-d), kenmerken gerelateerd aan veranderingen in serotonerge en noradrenerge mechanismen26. Interessant is dat ratten die NAosB in NAc tot overexpressie brachten ook een verminderde immobiliteitstijd op de eerste dag van de test vertoonden, geïnterpreteerd als een pro-motivatie-effect (zie Online methoden en Aanvullende afbeelding 5e-h).
AMPA-receptorregulatie in NAc medieert veerkracht
ΔFosB reguleert de transcriptie van talrijke genen in NAc24,27. Eén vastgesteld doelwitgen is de AMPA-glutamaatreceptorsubeenheid GluR2: muizen die AEbB in overmaat tot expressie brengen in NAc hebben verhoogde niveaus van GluR2, zonder effecten op andere glutamaatreceptorsubeenheden22. Deze selectieve opregulatie van GluR2 in NAc is gekoppeld aan een versterking van de medicamenten en natuurlijke beloning22,28. Om de mogelijkheid aan te pakken dat modulatie van GluR2 ook bijdraagt aan de veerkracht van ΔFosB, hebben we GluR2-expressie in NAc na chronische sociale nederlaag bestudeerd. Gevoelige muizen vertoonden een significante afname in GluR2-niveaus in dit hersengebied vergeleken met controles, terwijl veerkrachtige muizen verhoogde GluR2-niveaus vertoonden (Fig. 4a). Hoewel het mechanisme dat ten grondslag ligt aan de onderdrukking van GluR2-expressie in gevoelige muizen onbekend blijft, lijkt de inductie van GluR2 die wordt waargenomen in veerkrachtige muizen een direct effect van ΔFosB op het GluR2-gen te weerspiegelen, omdat we een verhoogde binding van ΔFosB aan de GluR2-promotor vonden door gebruik van chromatine immunoprecipitatie (ChIP) (Fig. 4b) en kwantitatieve PCR (qPCR) toonden aanhoudende inductie van GluR2 mRNA-niveaus in NAc van veerkrachtige muizen (Fig. 4c), die parallel loopt aan de aanhoudende inductie van ΔFosB. Interessant genoeg was GluR1 tegengesteld gereguleerd na een sociale nederlaag: we observeerden verhoogde expressie in gevoelige muizen en verminderde expressie in veerkrachtige muizen (Fig. 4a). Er werden echter geen overeenkomstige veranderingen waargenomen in de mRNA-expressie van GluR1, wat post-translationele mechanismen suggereert. Bovendien verhoogde behandeling met chronische fluoxetine van niet-versloeg muizen de GluR2-waarden in NAc (Fig. 4d), en analyse van humaan postmortem NAc-weefsel van depressieve patiënten onthulde verminderde GluR2-niveaus in vergelijking met controles (Fig. 4e). Er werden geen veranderingen in GluR1-niveaus gedetecteerd (Fig. 4e).
Pro-veerkracht, antidepressivum-achtig effect van GluR2 in NAc
De aanwezigheid van GluR2 heeft ingrijpende gevolgen voor AMPA-receptoren: GluR2-ontbrekende AMPA-receptoren zijn Ca2+-doorlatend, en toon grotere receptor geleiding en sterke naar binnen gerichte rectificerende stromen, vergeleken met GluR2-bevattende receptoren29. Om onze biochemische resultaten aan te vullen, hebben we daarom volcellige spanningsklemregistraties uitgevoerd van middelgrote stekelige neuronen in NAc van niet-verslagen muizen en na een sociale nederlaag in zowel veerkrachtige als gevoelige dieren. Stroom-spanning relaties van AMPA-gemedieerde opgewekte excitatory postsynaptische stromen (EPSC's) onthulden significant grotere naar binnen gerichte rectificatie in de gevoelige muizen (Fig. 5a-c) vergeleken met de controles, consistent met de verhoogde verhouding GluR1: GluR2 die onder deze omstandigheden wordt waargenomen. Hoewel de mate van rectificatie in cellen geregistreerd van gevoelige muizen variabel was, constateerden we een zeer significante verandering in rectificatie in vergelijking met zowel controle- als veerkrachtige groepen. De consistentie van deze bevinding wordt aangegeven door het feit dat de mate van rectificatie van alle cellen van gevoelige muizen de gemiddelde waarde die voor controlecellen werd waargenomen, overschreed. Bovendien vonden we dat het niveau van rectificatie indirect gecorreleerd was met sociale vermijding (Fig. 5d), wat suggereert dat veranderingen in de GluR1: GluR2-verhouding dit gedrag gedeeltelijk kunnen veroorzaken. Om de grotere prevalentie van GluR2-ontbrekende receptoren in gevoelige muizen te bevestigen, incubeerden we plakjes van controle- en ontvankelijke muizen met 1-naphtylacetylsperimine (NASPM), een selectieve blokker van GluR2-ontbrekende AMPA-receptoren. Evoked EPSC's in neuronen geregistreerd van gevoelige muizen (Fig. 5e-f) werden significant gereduceerd door NASPM, hetgeen aantoont dat GluR2-ontbrekende AMPA-receptoren significant meer bijdragen aan glutamaterge transmissie in gevoelige muizen dan controles. Merk op dat het effect van NASPM bij gevoelige muizen minder was dan verwacht, rekening houdend met de grotere verandering die werd waargenomen bij rectificatie. Deze divergentie is echter niet ongekend30 en kan het gevolg zijn van post-translationele modificaties of eiwit-eiwit interacties waarbij GluR2 is betrokken (zie discussie), of eenvoudig de mate van blootstelling aan NASPM. De stress-geïnduceerde toename van inwaartse rectificatie waargenomen bij gevoelige muizen was afwezig in veerkrachtige muizen (Fig. 5a-d), consistent met de waargenomen daling van GluR1 en toename van GluR2 onder deze omstandigheden. We zagen echter geen afname van naar binnen gerichte rectificatie in veerkrachtige muizen in vergelijking met controles (zie Discussie).
AMPA-receptorsamenstelling wordt differentieel gereguleerd in gevoelige en veerkrachtige muizen
Antidepressivum-achtige effecten van AMPA-receptorblokkade in NAc
Deze gegevens suggereren dat verhoogde AMPA-receptorfunctie (verhoogde GluR1: GluR2-verhouding) in NAc van gevoelige muizen sociale vermijding bevordert, terwijl verminderde AMPA-functie (verlaagde GluR1: GluR2-verhouding) bijdraagt aan veerkracht. Om deze hypothese te testen, injecteerden we de AMPA-receptorantagonist NBQX direct in het NAc van verslagen muizen onmiddellijk voorafgaand aan de sociale vermijdingtest. NBQX verhoogde sociale interactietijd (Fig. 4f), wat aantoont dat blokkering van snelle exciterende input voor het NAc de expressie van dit schadelijke effect van chronische sociale stress weerlegt. NBQX veranderde de algemene locomotorische activiteit niet (Aanvullende afbeelding 6). Bovendien was het antidepressivum-achtige effect van een enkelvoudige infusie van NBQX op sociale vermijding langdurig, omdat muizen die een week later opnieuw werden getest een verdere verbetering van de sociale interactie toonden.
Vervolgens brachten we GluR2 op virale wijze selectief tot overexpressie in NAc van gevoelige muizen. GluR2-expressie heeft de sociale ontwijking veroorzaakt door chronische sociale nederlagen (Fig. 4g), ter ondersteuning van de opvatting dat GluR2-opregulatie in NAc een sleutelmechanisme voor veerkracht is. Interessant is dat het effect van GluR2-overexpressie nog minstens 10 dagen na de operatie aanhield (Fig. 4g) wanneer de virale gemedieerde GluR2-expressie volledig is verdwenen. Omgekeerd, in veerkrachtige muizen, resulteerde overexpressie van de onbewerkte versie van GluR2, GluR2Q, die lijkt op GluR1 in functionele studies, de muizen vatbaarder voor sociale nederlagen (Fig 4g), wat de opvatting ondersteunt dat een verhoogde AMPA-receptorfunctie in NAc bijdraagt aan de gevoeligheid.
SC1, een ander ΔFosB-doelwit, is ook een bemiddelaar van veerkracht
Om aanvullende ΔFosB-doelgenen te identificeren die bijdragen aan veerkracht, vergeleken we datasets van genexpressie die werden verkregen van het NAc van bitransgene muizen die ΔFosB tot overexpressie brengen en van C57Bl / 6J muizen 48 uur na chronische sociale nederlaag die een veerkrachtig versus ontvankelijk fenotype vertoonde10,24. Fig. 6a toont de aanzienlijke (> 75%) overlap tussen genen geïnduceerd in NAc zowel door ΔFosB als door veerkracht. Onder deze genen (vermeld in Aanvullende tabel 2), selecteerden we voor verdere analyse SC1, op basis van de grootte van de inductie ervan in zowel veerkracht als overFosB-overexpressie. SC1, ook bekend als Sparc (uitgescheiden eiwit, zuurrijk, rijk aan cysteïne), zoals 1 of hevin, is een antikleefmatrixmolecule die sterk tot expressie komt in het volwassen brein, waar het zich in de postsynaptische dichtheid bevindt en betrokken is bij synaptische kneedbaarheid31. Om de potentiële rol van SC1 in veerkracht direct te beoordelen, hebben we SC1 viraal in overmaat tot expressie gebracht in NAc van gevoelige muizen. SC1 heeft de sociale ontwijking veroorzaakt door chronische sociale nederlagen (Fig. 6b). Overexpressie door SC1 had ook een antidepressiveachtig effect op dag 2 van de rattenzwemmertest (Fig. 6c en Aanvullende afbeelding 7a-c), maar had geen effect op basale locomotorische activiteit en angstgerelateerd gedrag (Aanvullende afbeelding 7d-g). Bovendien vonden we een sterke trend voor verlaagde SC1-waarden in humaan postmortem NAc-weefsel van depressieve patiënten (Fig. 6d).
Pro-veerkracht, antidepressivum-achtige effecten van SC1 in NAc
DISCUSSIE
De resultaten van de huidige studie leveren het eerste bewijs van moleculaire aanpassingen die optreden in middelgrote stekelige neuronen van NAc die ten grondslag liggen aan veerkrachtige reacties op chronische stress en die bijdragen aan de therapeutische effecten van chronische behandeling met antidepressiva. We laten zien dat basale niveaus van ΔFosB in NAc de aanvankelijke kwetsbaarheid van een individu voor sociale nederlaagstress bepalen, en dat de mate van ΔFosB-inductie als reactie op chronische stress vatbare versus veerkrachtige reacties op die stress bepaalt. We tonen verder aan dat de succesvolle omkering van gedragsafwijkingen geïnduceerd in gevoelige dieren door chronische toediening van fluoxetine de inductie van het geneesmiddel door ΔFosB in dit hersengebied vereist. Deze bevindingen tonen aan dat ΔFosB-inductie in NAc zowel een noodzakelijk als voldoende mechanisme is voor veerkracht en antidepressieve responsen. De bevinding van lagere niveaus van ΔFosB in NAc van depressieve mensen ondersteunt de relevantie van deze waarnemingen in muismodellen voor klinische depressie. ΔFosB reguleert de NAc-functie door talrijke doelwitgenen te induceren of te onderdrukken24,27. We identificeren twee van de doelwitgenen, de AMPA-receptorsubeenheid GluR2 en SC1, een extracellulair matrixeiwit, en impliceren deze rechtstreeks in het bemiddelen van veerkracht tegen sociale nederlaagstress.
Een dergelijke veerkrachtigheid voor ΔFosB in de context van chronische stress is interessant in het licht van een schat aan bewijs voor de betrokkenheid van ΔFosB bij het reguleren van reacties op drugs van misbruik en natuurlijke beloningen zoals eten, seks en lichaamsbeweging19. ΔFosB wordt geïnduceerd in NAc door medicamenten en natuurlijke beloningen, en verhoogt lonende reacties op deze stimuli. Het is dus betrokken als bemiddelaar van bepaalde aspecten van drugsverslaving. De huidige bevindingen in stressmodellen bieden fundamenteel nieuw inzicht in de rol van dit eiwit in de regulatie van complex emotioneel gedrag. Onder normale omstandigheden wordt ΔFosB op het hoogste niveau uitgedrukt in NAc in vergelijking met alle andere hersenregio's19. We veronderstellen dat de niveaus van ΔFosB in NAc een belangrijke rol spelen bij het bepalen van het niveau van iemands motivatie en bij het oriënteren van gemotiveerd gedrag op prominente belonende stimuli. Het verwijderen van omgevingsstimulatie tijdens langdurige isolatie vermindert de basale niveaus van ΔFosB in het NAc van de muis, waardoor hun motivatie wordt verminderd en hun kwetsbaarheid voor chronische sociale stress toeneemt, zoals we hier laten zien. De waargenomen daling van de ΔFosB-waarden in postmortem NAc van depressieve patiënten komt overeen met deze hypothese en suggereert een rol van ΔFosB bij de verminderde motivatie en beloning die wordt gezien bij veel mensen met een depressie. Omgekeerd stelt het vermogen om ΔFosB in NAc te induceren als reactie op chronische stress, een individu in staat om de motivatie en natuurlijke beloning te verbeteren ondanks de aanhoudende stress, een hypothese die consistent is met de huidige opvattingen over veerkracht bij mensen1,2. We veronderstellen verder dat inductie van ΔFosB in NAc door chronische blootstelling aan drugs van misbruik, die veel groter in omvang is dan die gezien met stress of natuurlijke beloningen19, resulteert in een pathologische graad van verhoogde motivatie op een manier die het beloningscircuit corrumpeert naar de sterkere medicijnstimulatiei.
Het is duidelijk dat specifieke kenmerken van deze hypothese verder onderzoek vereisen. Van de inductie van ΔFosB in NAc door chronische stress of door fluoxetine kan worden verwacht dat deze de geneesmiddelbeloning verhoogt. Co-morbiditeit van depressie en verslaving is inderdaad goed ingeburgerd bij mensen, en kruissensibilisatie tussen drugs van misbruik en stress is aangetoond bij knaagdieren32-34. Aan de andere kant zijn depressie en verslaving beide zeer complexe, heterogene syndromen en de meeste mensen met een depressie hebben geen verslaving en vice versa. Bovendien heeft fluoxetine geen duidelijke effecten op de respons van geneesmiddelen bij dieren en het is ook geen effectieve behandeling van verslaving bij verslaafden die niet ook depressief zijn. In overeenstemming met deze complexiteit hebben we geconstateerd dat gevoelige muizen, niet veerkrachtige muizen, in het sociaal-nederlaag-paradigma verbeterde reacties op drugs van misbruik vertonen10. Dit zou suggereren dat de verhoogde kwetsbaarheid van vatbare muizen voor misbruikende geneesmiddelen wordt gemedieerd via vele andere aanpassingen die zijn geïnduceerd in NAc en elders, als slechts één voorbeeld, BDNF, dat wordt geïnduceerd in gevoelige, niet veerkrachtige muizen in NAc en geneesmiddelenbeloningsmechanismen verbetertzien 10.
De interpretatie dat ΔFosB aspecten van verslaving bevordert, terwijl het de veerkracht tegen stress bevordert, is niet verrassend gezien de complexe relaties die worden waargenomen tussen de rol van een bepaald eiwit in NAc in verslaving versus depressiemodellen. Sommige eiwitten (bijv. BDNF) bevorderen reacties op drugs van misbruik en stress, terwijl veel andere eiwitten tegengestelde effecten hebben onder deze twee omstandigheden: bijv. CREB in NAc produceert een pro-depressie fenotype, maar stoot de reacties op drugs van misbruik af zien 4,10.
Deze bevindingen benadrukken de noodzaak van verder onderzoek naar het afbakenen van de moleculaire onderbouwing van complex emotioneel gedrag en het belang van het gebruik van een zo breed mogelijk scala aan gedragstests bij dergelijke onderzoeken. De resultaten geven ook aan dat, zoals verwacht, ΔFosB alleen niet de volledige verschijnselen van depressie en verslaving kan verklaren, maar eerder een belangrijke regulator is van NAc-afhankelijke beloningsmechanismen en daardoor belangrijk is bij het bemiddelen van bepaalde aspecten van beide aandoeningen.
Een belangrijk voorbehoud van deze discussie is echter de verschillende celtypen in NAc waarin ΔFosB wordt geïnduceerd in stress- en verslavingsmodellen. Drugs van misbruik en natuurlijke beloningen induceren ΔFosB voornamelijk in de subklasse van middelgrote stekelige neuronen in NAc die D tot expressie brengen1 dopaminereceptoren19,22, terwijl stress ΔFosB ongeveer gelijk in D induceert1 en D2 receptorbevattende middelgrote stekelige neuronen20. Deze differentiële inductie zou dramatische functionele gevolgen kunnen hebben, aangezien het vermogen van ΔFosB om de beloning te verbeteren is aangetoond voor D1 klasse neuronen alleen19.
De identificatie van GluR2 als een doelwitgen betrokken bij het mediëren van het veerkrachteffect van ΔFosB werpt enig licht op deze overwegingen. We tonen aan dat gevoeligheid bij muizen en menselijke depressie geassocieerd zijn met een toename van de GluR1: GluR2-verhouding in NAc, wat wijst op een verhoogde medium-spiny neuron-exciteerbaarheid als reactie op glutamaat.
Het NAc ontvangt glutamaterge input van verschillende hersengebieden, in het bijzonder prefrontale cortex, amygdala en hippocampus35. Een dergelijke glutamaterge input moduleert de valentie en salient van belonende en aversieve stimuli en beheerst daardoor gemotiveerd gedrag36-38. Recente onderzoeken komen overeen met onze hypothese dat verhoogde NAc-exciteerbaarheid stress-kwetsbaarheid kan bevorderen. Gedwongen zwemstress verhoogt de synaptische sterkte en AMPA-receptorfunctie in NAc39, terwijl glutamaatinfusie in NAc het zwemgedrag bij de geforceerde zwemtest vermindert, een pro-depressie-achtig effect40. Meer in het algemeen codeert verhoogd NAc-vuren voor aversieve toestanden in verschillende diermodellen41. Veranderingen in NAc-activiteit zijn waargenomen bij patiënten met ernstige depressie42 en in speciale troepen die zijn voorgeselecteerd en getraind om veerkrachtig te zijn in het geval van ernstig trauma43. Op dezelfde manier verlicht diepe hersenstimulatie van subgenuale cingulate cortex of van NAc (een belangrijk doelwit van subgenuale cingulate cortex), een interventie gedachte om de prikkelbaarheid van het gestimuleerde hersengebied te verminderen, depressieve symptomen bij therapieresistente patiënten3,44.
Net als stressmodellen is toegenomen glutamaterge reactiviteit in NAc ook betrokken bij drugsverslaving30,45-47. Dit omvat een toename van GluR2-ontbrekende AMPA-receptoren in dit hersengebied30,47, vergelijkbaar met wat we hier melden voor stressgevoeligheid. Samen verhogen deze observaties de interessante mogelijkheid dat verbeterde glutamaterge transmissie in NAc de kwetsbaarheid voor zowel verslaving als depressie bevordert. De tegenovergestelde verandering, dat wil zeggen een verminderde GluR1: GluR2-verhouding, hier getoond in NAc van veerkrachtige muizen, suggereert dat verminderde glutamaterge functie beschermend kan zijn tegen de schadelijke effecten van chronische stress. Dit komt overeen met de observaties dat verhoogde GluR2-activiteit of verminderde GluR1-activiteit in NAc de beloning en motivatie verbetert28,37,48. Het vermogen van fluoxetine om op vergelijkbare wijze GluR2-expressie te induceren in NAc, verhoogt de mogelijkheid dat verminderde innervatie van glutamaat in dit hersengebied ook kan bijdragen aan antidepressieve responsen. Inderdaad laten we hier zien dat remming van de AMPA-receptorfunctie in het NAc een krachtige en langlevende antidepressiveachtige respons produceert.
Hoewel de veranderingen die we aantonen in AMPA-receptor-expressie in NAc van gevoelige muizen consistent zijn met onze elektrofysiologische waarnemingen, zijn de veranderingen waargenomen in veerkracht complexer. We hebben geen elektrofysiologisch bewijs verkregen voor verminderde GluR2-ontbrekende AMPA-receptoren in NAc van veerkrachtige muizen in vergelijking met controles. We veronderstellen dat ΔFosB-gemedieerde inductie van GluR2 in veerkracht slechts één van de vele aanpassingen is die optreden in NAc die de glutamaterge transmissie beïnvloeden en dat, hoewel deze aanpassing voldoende is om de overmatige gevoeligheid van de AMPA-receptor om te keren, het geen netto veranderingen induceert in tegengestelde richting. Onze gegevens onthullen inderdaad een complexe regulatie van glutamaterge transmissie in NAc na chronische sociale nederlaagstress. De tegenovergestelde veranderingen in GluR1-expressie in dit hersengebied in gevoeligheid versus veerkracht worden niet gezien op het mRNA-niveau, noch zijn de verlaagde niveaus van GluR2 in gevoeligheid waargenomen op het mRNA-niveau. Dit is consistent met post-translationele modificaties, inclusief veranderingen in AMPA-receptortrafficking, die ook een belangrijke rol spelen, zoals is waargenomen in modellen voor drugsmisbruik30,47.
De complexe regulatie van glutamaterge transmissie in NAc door chronische stress wordt benadrukt door onze ontdekking van SC1 als een ander doelwitgen voor ΔFosB, dat, net als inductie van GluR2, veerkracht medieert. Van SC1 is bekend dat het de synaptische plasticiteit reguleert31. Als gevolg van de antikleefeigenschappen kan SC1-inductie in NAc resulteren in een meer tolerante omgeving voor de structurele veranderingen die gepaard gaan met de plasticiteit bij glutamaterge synapsen die cruciaal lijken voor veerkracht. Recent bewijs toont bijvoorbeeld aan dat de verwijdering van de extracellulaire matrix de diffusie van AMPA-receptoren mogelijk maakt en daardoor synaptische plasticiteit bevordert49.
Samenvattend ondersteunen onze resultaten een schema waarbij ΔFosB in NAc veerkracht induceert in het aangezicht van chronische stress, gedeeltelijk door het induceren van een vorm van synaptische plasticiteit die het sterke negatieve associatieve leren dat optreedt bij gevoelige muizen tegenwerkt. Er is bijvoorbeeld aangetoond dat verhogingen van GluR2-ontbrekende AMPA-receptoren in NAc, die we zien bij gevoelige muizen, de reacties op cocaïne-geassocieerde aanwijzingen die het hunkeren en terugval in verslavingsmodellen bevorderen, verergeren.30,47. In contrast hiermee zou de demping van glutamaterge tonus in veerkrachtige muizen, door versterking van GluR2 en misschien inductie van SC1, een saillante stimulus kunnen zijn, zoals een nieuwe muis in het sociale nederlaagparadigma, minder in staat om NAc-neuronen te activeren en daardoor het doel mogelijk te maken -gericht gedrag om door te gaan ondanks de stress. Onze gen-matrices suggereren de waarschijnlijke betrokkenheid van veel extra doelen van ΔFosB die ook bijdragen aan veerkracht. De dominante rol die ΔFosB speelt en zijn doelen in het vermogen van een individu om zich positief aan te passen aan chronische stress, werpt fundamenteel nieuwe wegen op voor de ontwikkeling van nieuwe antidepressiva-behandelingen.
METHODEN
Methoden en bijbehorende verwijzingen zijn beschikbaar in de online versie van het artikel op http://www.nature.com/natureneuroscience/.
Aanvullend materiaal
Suppl
Klik hier om te bekijken.(1024K, doc)
Klik hier om te bekijken.(136K, pdf)
Dankwoord
Dit werk werd ondersteund door subsidies van het National Institute of Mental Health en door een onderzoekssamenwerking met AstraZeneca. We danken Drs. P. McKinnon en H. Russell voor het genereuze geschenk van de SC1 cDNA. We danken ook I. Maze, Drs. R. Oosting, S. Gautron en D. Vialou voor nuttige discussies en commentaren op manuscripten.
voetnoten
Bijdragen van auteurs VV en EJN waren verantwoordelijk voor het algemene onderzoeksontwerp. QL en VV hebben RNA- en ChIP-experimenten ontworpen, uitgevoerd en geanalyseerd. AJ Robison heeft elektrofysiologische studies ontworpen, uitgevoerd en geanalyseerd. HEC en VV hebben de NBQX-farmacologische experimenten ontworpen en uitgevoerd. QL, DMD, ELW en VV voerden stereotactische operaties uit. YNO kloneerde het SC1-cDNA in de HSV-vector. YHO voerde de AP1-luciferasetest uit. QL, DMD, DW en VV hebben de sociale isolatie-experimenten ontworpen en uitgevoerd. VV, ELW en AJ Rush voerden sociale nederlaagtests en immunohistochemische kwantificering uit. SI, QL, BW en VV hebben rattenchirurgie en geforceerde zwemtest uitgevoerd en geanalyseerd. EM en RN verschaften de virale vectoren voor virale transgenese. MAS, VK en OB trainden VV in sociale nederlaag en biochemische analyse en zorgden voor kwaliteitscontrole over de sociale nederlaaggegevens. SG en CAT verschaften het menselijke post-mortem hersenweefsel. VV en EJN hebben de paper geschreven met de hulp van de andere auteurs.
Auteur Information Informatie over herdrukken en machtigingen is beschikbaar op www.nature.com/reprints.
Extra Aanvullende informatie is gekoppeld aan de online versie van het artikel op www.nature.com/natureneuroscience/.
Referenties
1. McEwen BS. Fysiologie en neurobiologie van stress en adaptatie: centrale rol van de hersenen. Physiol Rev. 2007; 87: 873-904. [PubMed]
2. Feder A, Nestler EJ, Charney DS. Psychobiologie en moleculaire genetica van veerkracht. Nat Rev Neurosci. 2009, 10: 446-457. [PMC gratis artikel] [PubMed]
3. Ressler KJ, Mayberg HS. Richten op abnormale neurale circuits bij stemmings- en angststoornissen: van het laboratorium naar de kliniek. Nat Neurosci. 2007, 10: 1116-1124. [PMC gratis artikel] [PubMed]
4. Krishnan V, Nestler EJ. De moleculaire neurobiologie van depressie. Natuur. 2008, 455: 894-902. [PMC gratis artikel] [PubMed]
5. Yehuda R, Flory JD, Southwick S, Charney DS. Een agenda ontwikkelen voor translationeel onderzoek naar veerkracht en kwetsbaarheid na blootstelling aan trauma's. Ann NY Acad Sci. 2006, 1071: 379-396. [PubMed]
6. Tornatzky W, Miczek KA. Langdurige beperking van autonome circadiane ritmen na korte intermitterende sociale stress. Physiol Behav. 1993, 53: 983-993. [PubMed]
7. Koolhaas JM, Meerlo P, De Boer SF, Strubbe JH, Bohus B. De temporele dynamiek van de stressrespons. Neurosci Biobehav Rev. 1997; 21: 775-782. [PubMed]
8. De Kloet ER. Hormonen en de gestresste hersenen. Ann NY Acad Sci. 2004, 1018: 1-15. [PubMed]
9. Rygula R, et al. Anhedonie en motivationele tekorten bij ratten: impact van chronische sociale stress. Gedrag Brain Res. 2005, 162: 127-134. [PubMed]
10. Krishnan V, et al. Moleculaire aanpassingen die ten grondslag liggen aan gevoeligheid en weerstand tegen sociale nederlagen in hersenbeloningsregio's. Cel. 2007, 131: 391-404. [PubMed]
11. Berton O, et al. Essentiële rol van BDNF in de mesolimbische dopamine-route bij sociale nederlaagstress. Wetenschap. 2006, 311: 864-868. [PubMed]
12. Tidey JW, Miczek KA. Acquisitie van cocaïne zelftoediening na sociale stress: rol van accumbens dopamine. Psychopharmacology (Berl) 1997; 130: 203-212. [PubMed]
13. Martinez M, Calvo-Torrent A, Herbert J. Mapping van de breinreactie op sociale stress bij knaagdieren met c-fos expressie: een recensie. Spanning. 2002, 5: 3-13. [PubMed]
14. Kollack-Walker S, Don C, Watson SJ, Akil H. Differentiële expressie van c-fos mRNA binnen neurocircuits van mannelijke hamsters blootgesteld aan acute of chronische nederlaag. J Neuroendocrinol. 1999, 11: 547-559. [PubMed]
15. Becker C, et al. Verbeterde corticale extracellulaire niveaus van cholecystokinineachtig materiaal in een model van anticipatie op sociale nederlagen bij de rat. J Neurosci. 2001, 21: 262-269. [PubMed]
16. Rygula R, Abumaria N, Domenici E, Hiemke C, Fuchs E. Effecten van fluoxetine op gedragstekorten veroorzaakt door chronische sociale stress bij ratten. Gedrag Brain Res. 2006, 174: 188-192. [PubMed]
17. Wilkinson MB, et al. Behandeling met imipramine en veerkracht vertonen vergelijkbare chromatineregulatie in de muizenkern accumbens in depressiemodellen. J Neurosci. 2009, 29: 7820-7832. [PMC gratis artikel] [PubMed]
18. Covington HE, 3rd, et al. Antidepressieve acties van histondeacetylase-remmers. J Neurosci. 2009, 22: 11451-11460. [PMC gratis artikel] [PubMed]
19. Nestler EJ. Beoordeling. Transcriptionele verslavingsmechanismen: rol van DeltaFosB. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2008, 363: 3245-3255. [PMC gratis artikel] [PubMed]
20. Perrotti LI, et al. Inductie van deltaFosB in beloningsgerelateerde hersenstructuren na chronische stress. J Neurosci. 2004, 24: 10594-10602. [PubMed]
21. Nikulina EM, Arrillaga-Roma I, Miczek KA, Hammer RP., Jr Langdurige wijziging in mesocorticolimbische structuren na herhaalde sociale nederlaagstress bij ratten: tijdsverloop van mu-opioïde receptor-mRNA en immunoseactiviteit van FosB / DeltaFosB. Eur J Neurosci. 2008, 27: 2272-2284. [PMC gratis artikel] [PubMed]
22. Kelz MB, et al. Expressie van de transcriptiefactor deltaFosB in de hersenen regelt de gevoeligheid voor cocaïne. Natuur. 1999, 401: 272-276. [PubMed]
23. Peakman MC, et al. Induceerbare, hersenregio-specifieke expressie van een dominante negatieve mutant van c-Jun in transgene muizen verlaagt de gevoeligheid voor cocaïne. Brain Res. 2003, 970: 73-86. [PubMed]
24. McClung CA, Nestler EJ. Regulatie van genexpressie en cocaïnebeloning door CREB en DeltaFosB. Nat Neurosci. 2003, 6: 1208-1215. [PubMed]
25. Wallace DL, et al. CREB-regulatie van excitabiliteit van nucleus accumbens bemiddelt door sociaal isolement geïnduceerde gedragstekorten. Nat Neurosci. 2009, 12: 200-209. [PMC gratis artikel] [PubMed]
26. Detke MJ, Rickels M, Lucki I. Actief gedrag in de rat geforceerde zwemtest differentieel geproduceerd door serotonerge en noradrenerge antidepressiva. Psychopharmacology (Berl) 1995; 121: 66-72. [PubMed]
27. Renthal W, et al. Genoom-brede analyse van chromatine regulatie door cocaïne onthult een rol voor sirtuins. Neuron. 2009, 62: 335-348. [PMC gratis artikel] [PubMed]
28. Todtenkopf MS, et al. Hersengeld gereguleerd door AMPA-receptorsubeenheden in nucleus accumbens-schaal. J Neurosci. 2006, 26: 11665-11669. [PubMed]
29. Bredt DS, Nicoll RA. AMPA-receptortrafficking bij exciterende synapsen. Neuron. 2003, 40: 361-379. [PubMed]
30. Conrad KL, et al. Vorming van accumbens GluR2-ontbrekende AMPA-receptoren bemiddelt incubatie van cocaïnewens. Natuur. 2008, 454: 118-121. [PMC gratis artikel] [PubMed]
31. Levendige S, bruine IR. Het extracellulaire matrixproteïne SC1 / hevin lokaliseert zich tot exciterende synapsen na status epilepticus in het lithium-pilocarpine-aanvalsmodel van de rat. J Neurosci Res. 2008, 86: 2895-2905. [PubMed]
32. Nikulina EM, Covington HE, 3rd, Ganschow L, Hammer RP, Jr, Miczek KA. Langdurige gedrags- en neuronale kruissensibilisatie voor amfetamine veroorzaakt door herhaalde korte sociale nederlaagstress: Fos in het ventrale tegmentale gebied en amygdala. Neuroscience. 2004, 123: 857-865. [PubMed]
33. Koob GF. Een rol voor hersenstresssystemen bij verslaving. Neuron. 2008, 59: 11-34. [PMC gratis artikel] [PubMed]
34. Haney M, Maccari S, Le Moal M, Simon H, Piazza PV. Sociale stress verhoogt de verwerving van cocaïne zelftoediening bij mannelijke en vrouwelijke ratten. Brain Res. 1995, 698: 46-52. [PubMed]
35. Sesack SR, Grace AA. Cortico-Basal Ganglia beloningsnetwerk: microcircuitry. Neuropsychopharmacology. 2010, 35: 27-47. [PMC gratis artikel] [PubMed]
36. Kalivas PW, Volkow N, Seamans J. Onbehandelbare motivatie bij verslaving: een pathologie in glutamaattransmissie van de prefrontal-accumbens. Neuron. 2005, 45: 647-650. [PubMed]
37. Reynolds SM, Berridge KC. Glutamaat motiverende ensembles in nucleus accumbens: rostrocaudale shell-gradiënten van angst en voeding. Eur J Neurosci. 2003, 17: 2187-2200. [PubMed]
38. Grace AA, Floresco SB, Goto Y, Lodge DJ. Regulatie van het vuren van dopaminerge neuronen en controle van doelgericht gedrag. Trends Neurosci. 2007, 30: 220-227. [PubMed]
39. Campioni M, Xu M, McGehee DS. Stress-geïnduceerde veranderingen in nucleus Accumbens Glutamate Synaptic Plasticity. J Neurophysiol. 2009 [PubMed]
40. Rada P, et al. De glutamaatafgifte in de nucleus accumbens is betrokken bij gedragsdepressie tijdens de PORSOLT-zwemtest. Neuroscience. 2003, 119: 557-565. [PubMed]
41. Roitman MF, Wheeler RA, Carelli RM. Nucleus accumbens neuronen zijn aangeboren afgestemd op belonende en aversieve smaakstimuli, coderen hun voorspellers en zijn gekoppeld aan motorvermogen. Neuron. 2005, 45: 587-597. [PubMed]
42. Tremblay LK, et al. Functionele neuroanatomische substraten van veranderde beloningsverwerking bij depressieve stoornissen, onthuld door een dopaminerge sonde. Arch Gen Psychiatry. 2005, 62: 1228-1236. [PubMed]
43. Vythilingam M, et al. Beloningscircuits in veerkracht voor ernstig trauma: een fMRI-onderzoek naar veerkrachtige soldaten van speciale troepen. Psychiatry Res. 2009, 172: 75-77. [PMC gratis artikel] [PubMed]
44. Schlaepfer TE, et al. Diepe hersenstimulatie om circuit te belonen verlicht anhedonie bij refractaire zware depressies. Neuropsychopharmacology. 2008, 33: 368-377. [PubMed]
45. Churchill L, Swanson CJ, Urbina M, Kalivas PW. Herhaalde cocaïne verandert de glutamaatreceptorsubeenheidniveaus in de nucleus accumbens en het ventrale tegmentale gebied van ratten die gedragssensibilisatie ontwikkelen. J Neurochem. 1999, 72: 2397-2403. [PubMed]
46. Boudreau AC, Reimers JM, Milovanovic M, Wolf ME. AMPA-receptoren op het celoppervlak in de nucleus accumbens van ratten nemen toe gedurende het onttrekken van cocaïne, maar internaliseren na cocaïne-provocatie in combinatie met veranderde activatie van door mitogeen geactiveerde proteïnekinasen. J Neurosci. 2007, 27: 10621-10635. [PMC gratis artikel] [PubMed]
47. Anderson SM, et al. CaMKII: een biochemische brug die de dopamine- en glutamaatsystemen van accumbens verbindt bij het zoeken naar cocaïne. Nat Neurosci. 2008, 11: 344-353. [PubMed]
48. Taha SA, Fields HL. Remmingen van nucleus accumbens neuronen coderen voor een poortsignaal voor gedrag gericht op beloning. J Neurosci. 2006, 26: 217-222. [PubMed]
49. Frischknecht R, et al. Hersenexcellulaire matrix beïnvloedt laterale mobiliteit van de AMPA-receptor en kortstondige synaptische plasticiteit. Nat Neurosci. 2009, 12: 897-904. [PubMed]
50. Chen J, et al. Transgene dieren met induceerbare, gerichte genexpressie in de hersenen. Mol Pharmacol. 1998, 54: 495-503. [PubMed]
;
