Transcriptionele mechanismen van drugsverslaving (2012)

Clin Psychopharmacol Neurosci. 2012 dec; 10 (3): 136-43. doi: 10.9758 / cpn.2012.10.3.136. Epub 2012 december 20.

Nestler EJ.

bron

Fishberg Department of Neuroscience and Friedman Brain Institute, Mount Sinai School of Medicine, New York, VS.

Abstract

Regulering van genexpressie wordt beschouwd als een plausibel mechanisme van drugsverslaving gezien de stabiliteit van gedragsafwijkingen die een verslaafde toestand definiëren. Talrijke transcriptiefactoren, eiwitten die binden aan regulerende gebieden van specifieke genen en daardoor de niveaus van hun expressie regelen, zijn betrokken geweest bij het verslavingsproces gedurende het afgelopen decennium of twee. Hier bespreken we het groeiende bewijs voor de rol die verschillende prominente transcriptiefactoren spelen, waaronder een Fos-familie-eiwit (ΔFosB), cAMP-responselement-bindend eiwit (CREB) en kernfactor kappa B (NFκB), onder verschillende anderen, bij drugsverslaving . Zoals we zullen zien, vertoont elke factor een zeer verschillende regulering door misbruik van drugs in het beloningscircuit van de hersenen, en bemiddelt op zijn beurt verschillende aspecten van het verslavingsfenotype. De huidige inspanningen zijn gericht op het begrijpen van het bereik van doelwitgenen waardoor deze transcriptiefactoren hun functionele effecten produceren en de onderliggende moleculaire mechanismen die hierbij zijn betrokken. Dit werk belooft fundamenteel nieuw inzicht te onthullen in de moleculaire basis van verslaving, die zal bijdragen aan verbeterde diagnostische testen en therapieën voor verslavende aandoeningen.

sleutelwoorden: Transcriptiefactoren, Nucleus accumbens, Ventral tegmental area, Orbitofrontal cortex, Chromatin remodelling, Epigenetics

INLEIDING

De studie van transcriptionele mechanismen van verslaving is gebaseerd op de hypothese dat regulatie van genexpressie één belangrijk mechanisme is waarmee chronische blootstelling aan een misbruikend medicijn langdurige veranderingen in de hersenen veroorzaakt die ten grondslag liggen aan de gedragsafwijkingen die een verslavingstoestand bepalen.1,2) Een uitvloeisel van deze hypothese is dat veranderingen geïnduceerd in het functioneren van verschillende neurotransmittersystemen, en in de morfologie van bepaalde neuronale celtypen in de hersenen, door chronische toediening van geneesmiddelen voor een deel worden gemedieerd via veranderingen in genexpressie.

Natuurlijk wordt niet alle geneesmiddel-geïnduceerde neurale en gedragsplasticiteit gemedieerd op het niveau van genexpressie, omdat we de cruciale bijdragen kennen van translationele en posttranslationele modificaties en eiwithandel in verslavingsgerelateerde verschijnselen. Aan de andere kant is regulatie van genexpressie één centraal mechanisme en waarschijnlijk bijzonder cruciaal voor de levenslange abnormaliteiten die verslaving kenmerken. Transcriptionele regulatie biedt inderdaad een sjabloon waarop deze andere mechanismen werken.

Het werk van de afgelopen ~ 15 jaar heeft steeds meer bewijs opgeleverd voor een rol van genexpressie bij drugsverslaving, aangezien verschillende transcriptiefactoren - eiwitten die binden aan specifieke responselementen in de promotorregio's van doelwitgenen en de expressie van die genen reguleren - geïmpliceerd zijn. in drug actie. Volgens dit schema, weergegeven in Fig 1, drugs van misbruik, via hun initiële acties op de synaps, produceren veranderingen binnen neuronen die naar de kern signaleren en reguleren de activiteit van talrijke transcriptiefactoren en vele andere soorten transcriptionele regulatorische eiwitten.3) A Deze nucleaire veranderingen worden geleidelijk en geleidelijk opgebouwd met herhaalde blootstelling aan geneesmiddelen en liggen ten grondslag aan stabiele veranderingen in de expressie van specifieke doelgenen, die op hun beurt bijdragen aan de blijvende veranderingen in de neurale functie die een verslavingstoestand handhaven.1,4)

Een extern bestand dat een afbeelding, illustratie, enz. Bevat. Objectnaam is cpn-10-136-g001.jpg

Transcriptionele acties van drugs van misbruik. Hoewel drugs van misbruik aanvankelijk op hun onmiddellijke eiwitdoelen bij de synaps handelen, worden hun functionele effecten op lange termijn voor een deel gemedieerd door regulatie van stroomafwaartse signaleringsroutes die op de celkern worden omgezet. Hier leidt medicijnregulatie van transfactoren tot de stabiele regulatie van specifieke doelgenen en tot de blijvende gedragsafwijkingen die verslaving kenmerken.

Deze recensie richt zich op verschillende transcriptiefactoren, waarvan is aangetoond dat ze een belangrijke rol spelen bij verslaving. We richten ons verder op door geneesmiddelen gereguleerde transcriptiefactoren binnen het beloningscircuit van de hersenen, hersengebieden die normaal gesproken de reacties van een individu op natuurlijke beloningen reguleren (bijv. Voedsel, seks, sociale interactie), maar die gecorrumpeerd zijn door chronische blootstelling aan geneesmiddelen om verslaving te veroorzaken. Dit beloningscircuit voor de hersenen omvat onder meer dopaminerge neuronen in het ventrale tegmentale gebied van de middenhersenen en de verschillende regio's van de limbische voorhersenen die ze innerveren, waaronder nucleus accumbens (ventraal striatum), prefrontale cortex, amygdala en hippocampus. Zoals we zullen zien, heeft de overgrote meerderheid van het onderzoek naar transcriptionele verslavingsmechanismen zich tot nu toe geconcentreerd op de nucleus accumbens.

ΔFosB

ΔFosB is gecodeerd door de FosB gen en deelt de homologie met andere transcriptiefactoren van de Fos-familie, waaronder c-Fos, FosB, Fra1 en Fra2.5) Deze Fos-familie-eiwitten heterodimeriseren met Jun-familie-eiwitten (c-Jun, JunB of JunD) en vormen actieve activator-eiwit-1 (AP1) -transcriptiefactoren die binden aan AP1-plaatsen die aanwezig zijn in de promoters van bepaalde genen om hun transcriptie te reguleren. Deze Fos-familie-eiwitten worden snel en voorbijgaand geïnduceerd in specifieke hersenregio's na acute toediening van veel drugsmisbruik (Fig 2).2) Deze responsen worden het meest prominent gezien in nucleus accumbens en dorsaal striatum, maar ook in verschillende andere hersengebieden.6) Al deze Fos-familie-eiwitten zijn echter zeer onstabiel en keren terug naar basale niveaus binnen enkele uren na toediening van het geneesmiddel.

Een extern bestand dat een afbeelding, illustratie, enz. Bevat. Objectnaam is cpn-10-136-g002.jpg  

Verschillende temporele eigenschappen van geneesmiddelregulatie van ΔFosB versus CREB. (A) ΔFosB. De bovenste grafiek toont verschillende golven van Fos-familie-eiwitten (bestaande uit c-Fos, FosB, ΔFosB [33 kD isovorm], Fra1, Fra2) geïnduceerd in nucleus accumbens door acute toediening van een misbruikend medicijn. Ook geïnduceerd zijn biochemisch gemodificeerde isovormen van ΔFosB (35-37 kD); ze worden op lage niveaus geïnduceerd door acute medicijntoediening, maar blijven vanwege hun stabiliteit langdurig aanwezig in de hersenen. De onderste grafiek laat zien dat bij herhaalde (bijv. Tweemaal daagse) medicijntoediening, elke acute stimulus een laag niveau van de stabiele ΔFosB-isovormen induceert. Dit wordt aangegeven door de onderste reeks overlappende lijnen, die aangeven dat ΔFosB wordt geïnduceerd door elke acute stimulus. Het resultaat is een geleidelijke toename van de totale niveaus van ΔFosB met herhaalde stimuli tijdens een chronische behandeling. Dit wordt aangegeven door de oplopende getrapte lijn in de grafiek. (B) CREB. Activering van CRE-transcriptionele activiteit, gemedieerd via fosforylering en activering van CREB en mogelijk via de inductie van bepaalde ATF's, vindt snel en tijdelijk plaats in nucleus accumbens als reactie op acute medicijntoediening. Dit "piek- en dal" -patroon van activering houdt aan bij chronische blootstelling aan geneesmiddelen, waarbij CRE-transcriptieniveaus binnen 1-2 dagen na stopzetting van het geneesmiddel weer normaal worden.

Zeer verschillende responsen worden waargenomen na chronische toediening van drugsmisbruik (Fig 2). Biochemisch gemodificeerde isovormen van ΔFosB (M.r 35-37 kD) accumuleren binnen dezelfde hersenregio's na herhaalde blootstelling aan geneesmiddelen, terwijl alle familieleden van Fos tolerantie vertonen (dat wil zeggen verminderde inductie in vergelijking met initiële blootstelling aan geneesmiddelen).7-9) Een dergelijke accumulatie van ΔFosB is waargenomen voor vrijwel alle drugs van misbruik, hoewel verschillende geneesmiddelen enigszins verschillen in de relatieve mate van inductie die wordt waargenomen in nucleus accumbens core vs. shell, dorsal striatum en andere hersengebieden.2,6) In ieder geval voor sommige drugsmisbruik lijkt inductie van ΔFosB selectief voor de dynorfine-bevattende subset van medium stekelige neuronen - die voornamelijk D1-dopaminereceptoren tot expressie brengen - in striatale regio's. De 35-37 kD-isovormen van ΔFosB dimeriseren voornamelijk met JunD om een ​​actief en langdurig AP-1-complex te vormen in deze hersengebieden,7,10) hoewel er enig bewijs is in vitro onderzoekt dat ΔFosB homodimeren kan vormen.11) Geneesmiddelinductie van ΔFosB in de nucleus accumbens lijkt een reactie te zijn op de farmacologische eigenschappen van het medicijn werkt en niet gerelateerd aan vrijwillige inname van geneesmiddelen, aangezien dieren die zelf cocaïne toedienen of injecties met jukmedicijnen krijgen, equivalente inductie van deze transcriptiefactor in dit hersengebied vertonen.6) In tegenstelling daarmee vereist ΔFosB-inductie in bepaalde andere regio's, bijvoorbeeld orbitofrontale cortex, volwaardige geneesmiddeltoediening.12)

De 35-37 kD ΔFosB isovormen accumuleren met chronische blootstelling aan geneesmiddelen vanwege hun buitengewoon lange halfwaardetijden.7-13) Als gevolg van zijn stabiliteit, blijft het ΔFosB-eiwit aanhouden in neuronen gedurende ten minste enkele weken na het stoppen van de blootstelling aan het geneesmiddel. We weten nu dat deze stabiliteit het gevolg is van twee factoren: 1) de afwezigheid in ΔFosB van twee degron-domeinen, die aanwezig zijn aan de C-terminus van FOSB van volledige lengte en alle andere eiwitten van de Fos-familie en die eiwitten richten op snelle degradatie, en 2) de fosforylering van AFosB aan de N-terminus door caseïnekinase 2 en mogelijk andere proteïnekinasen.14-16) De stabiliteit van de ΔFosB-isovormen biedt een nieuw moleculair mechanisme waardoor door geneesmiddelen geïnduceerde veranderingen in genexpressie kunnen aanhouden ondanks relatief lange perioden van terugtrekking van geneesmiddelen. We hebben daarom voorgesteld dat ΔFosB functioneert als een aanhoudende "moleculaire schakelaar" die helpt bij het initiëren en behouden van een verslaafde toestand.1,2)

Rol in verslaving

Inzicht in de rol van ΔFosB bij drugsverslaving is grotendeels te danken aan de studie van bitransgene muizen waarin ΔFosB selectief kan worden geïnduceerd in de nucleus accumbens en het dorsale striatum van volwassen dieren.17) Belangrijk is dat deze muizen AFFB selectief tot overexpressie brengen in de dynorfine-bevattende middelgrote stekelige neuronen, waarbij wordt aangenomen dat de geneesmiddelen het eiwit induceren. ΔFosB-tot overexpressie leidende muizen vertonen versterkte locomotorische responsen op cocaïne na acute en chronische toediening.17) Ze vertonen ook een verhoogde gevoeligheid voor de belonende effecten van cocaïne en van morfine bij conditioneringstesten op de plaats,17-19) en zelf lagere doses cocaïne toedienen en harder voor cocaïne werken dan nestgenoten die ΔFosB niet tot overexpressie brengen.20) Bovendien overdrijft AFosB-overexpressie in nucleus accumbens de ontwikkeling van opiaat-fysieke afhankelijkheid en bevordert opiaat-pijnstillende tolerantie.19) In tegenstelling daarmee zijn AZoB tot expressie brengende muizen normaal in verschillende andere gedragsdomeinen, waaronder ruimtelijk leren zoals vastgesteld in het Morris waterlabyrint.17) Specifieke targeting van ΔFosB-overexpressie naar de nucleus accumbens, door middel van virale gemedieerde genoverdracht, heeft equivalente gegevens opgeleverd.19)

In tegenstelling hiermee laten targeting van ΔFosB-expressie op de enkepahlin-bevattende middelgrote stekelige neuronen in nucleus accumbens en dorsaal striatum (die die voornamelijk D2-dopaminereceptoren tot expressie brengen) in verschillende lijnen van bitransgene muizen de meeste van deze gedragsfenotypen niet zien.19) In tegenstelling tot overexpressie van ΔFosB, produceert overexpressie van een mutant Jun-eiwit (ΔcJun of ΔJunD) - dat functioneert als een dominante negatieve antagonist van AP1-gemedieerde transcriptie - door het gebruik van bitransgene muizen of viraal-gemedieerde genoverdracht, de tegenovergestelde gedragseffecten.18,19,21) Deze gegevens geven aan dat inductie van ΔFosB in dynorfine-bevattende medium stekelige neuronen van de nucleus accumbens de gevoeligheid van een dier voor cocaïne en andere drugs van misbruik verhoogt, en een mechanisme kan zijn voor relatief langdurige sensibilisatie voor de medicijnen.

De rol die wordt gespeeld door ΔFosB-inductie in andere hersenregio's is minder goed begrepen. Recente studies hebben aangetoond dat AFosB-inductie in orbitofrontale cortex de tolerantie voor enkele van de cognitief-verstorende effecten van acute cocaïneblootstelling medieert, wat zou kunnen dienen om de inname van geneesmiddelen verder te bevorderen.12,22)

ΔFosB-doelgenen

Omdat ΔFosB een transcriptiefactor is, produceert het vermoedelijk dit interessante gedragsfenotype in nucleus accumbens door de expressie van andere genen te versterken of te onderdrukken. Met behulp van onze induceerbare, bitransgene muizen die ΔFosB of zijn dominante negatieve ΔcJun tot overexpressie brengen en genexpressie op Affymetrix-chips analyseren, hebben we aangetoond dat - in de nucleus accumbens in vivo -AFosB functioneert voornamelijk als een transcriptionele activator, terwijl het dient als een repressor voor een kleinere subset van genen.18) Deze studie toonde ook de dominante rol van ΔFosB bij het mediëren van de genomische effecten van cocaïne: ΔFosB is betrokken bij bijna een kwart van alle genen die door chronische cocaïne in nucleus accumbens worden beïnvloed.

Deze genoom-brede benadering, samen met studies van verschillende kandidaat-genen parallel, hebben verschillende doelwitgenen van AFosB vastgesteld die bijdragen aan zijn gedragsfenotype. Eén kandidaat-gen is GluA2, een AMPA-glutamaatreceptorsubeenheid, die wordt geïnduceerd in nucleus accumbens door ΔFosB.17) Omdat GluA2-bevattende AMPA-kanalen een lagere algehele geleiding hebben in vergelijking met AMPA-kanalen die deze subeenheid niet bevatten, zou de door cocaïne en ΔFosB gemedieerde upregulatie van GluA2 in nucleus accumbens, althans gedeeltelijk, kunnen bijdragen aan de verminderde glutamaterge reacties in deze neuronen na blootstelling aan chronische drugs.23)

Een ander kandidaat-doelwitgen van AFosB in nucleus accumbens is het opioïde peptide, dynorfine. Herinner dat ΔFosB lijkt te worden geïnduceerd door drugs van misbruik, met name in dynorfine producerende cellen in dit hersengebied. Drugsmisbruik heeft complexe effecten op de dynorfine-expressie, met stijgingen of dalingen gezien afhankelijk van de gebruikte behandelingsomstandigheden. We hebben aangetoond dat inductie van AFosB de dynorphin-genexpressie in nucleus accumbens onderdrukt.19) Van Dynorphin wordt gedacht dat het κ opioïde receptoren activeert op dopamine neuronen van het ventraal tegmentgebied (VTA) en dopaminerge transmissie remt en daardoor beloningsmechanismen downreguleert.24,25) Daarom zou ΔFosB-onderdrukking van dynorfine-expressie kunnen bijdragen aan de versterking van beloningsmechanismen die worden gemedieerd door deze transcriptiefactor. Er is nu direct bewijs dat de betrokkenheid van dynorfine-genrepressie bij het gedragsfenotype van ΔFosB ondersteunt.19)

Er zijn nog steeds extra doelgenen geïdentificeerd. ΔFosB onderdrukt de c-Fos gen dat helpt bij het creëren van de moleculaire omschakeling - van inductie van verschillende kortlevende Fos-familie-eiwitten na acute blootstelling aan geneesmiddelen tot de overheersende accumulatie van ΔFosB na chronische blootstelling aan geneesmiddelen - eerder genoemd.9) Daarentegen wordt cycline-afhankelijk kinase-5 (Cdk5) in de nucleus accumbens geïnduceerd door chronische cocaïne, een effect dat we hebben laten zien wordt gemedieerd via ΔFosB.18,21,26) Cdk5 is een belangrijk doelwit van ΔFosB, omdat de expressie ervan rechtstreeks is gekoppeld aan de toename van de dichtheid van de dendritische wervelkolom van stekelige neuronen van nucleus accumbens,27,28) in de nucleus accumbens die zijn geassocieerd met chronisch cocaïnebeleid.29,30) Inderdaad is recentelijk aangetoond dat ΔFosB-inductie zowel noodzakelijk als voldoende is voor door cocaïne geïnduceerde groei van de dendritische wervelkolom.31)

Meer recent hebben we chromatine-immunoprecipitatie (ChIP) gevolgd door promoter-chip (ChIP-chip) of door deep-sequencing (ChIP-seq) gebruikt om de doelgenen van ΔFosB verder te identificeren.32) Deze onderzoeken, samen met de eerder aangehaalde DNA-expressie-arrays, bieden een rijke lijst van vele aanvullende genen die - direct of indirect - het doelwit kunnen zijn van ΔFosB. Onder deze genen bevinden zich aanvullende neurotransmitterreceptoren, eiwitten die betrokken zijn bij de pre- en postsynaptische functie, vele soorten ionkanalen en intracellulaire signaaleiwitten, eiwitten die het neuronale cytoskelet en celgroei reguleren, en talrijke eiwitten die de chromatinestructuur reguleren.18,32) Verder werk is nodig om elk van deze talrijke eiwitten te bevestigen bonafide doelwitten van cocaïne via ΔFosB en om de precieze rol vast te stellen die elk eiwit speelt bij het bemiddelen van de complexe neurale en gedragsaspecten van cocaïnewerking.

CREB

Cyclisch AMP-responselement-bindend eiwit (CREB) is een van de meest bestudeerde transcriptiefactoren in de neurowetenschappen en is betrokken bij verschillende aspecten van neurale plasticiteit.33) Het vormt homodimeren die kunnen binden aan genen op cyclische AMP-responselementen (CRE's), maar activeert in de eerste plaats transcriptie nadat het is gefosforyleerd op Ser133 (door een van de verschillende proteïnekinasen), wat recrutering van CREB-bindend eiwit (CBP) mogelijk maakt dan bevordert transcriptie. Het mechanisme waardoor CREB-activatie de expressie van bepaalde genen onderdrukt, wordt minder goed begrepen.

Zowel psychostimulantia (cocaïne en amfetamine) als opiaten verhogen de CREB-activiteit, acuut en chronisch - zoals gemeten door verhoogde fosfo-CREB (pCREB) of reportergenactiviteit bij CRE-LacZ transgene muizen - in meerdere hersengebieden, waaronder de nucleus accumbens en het dorsale striatum .34-36) Het tijdsverloop van deze activering verschilt sterk van dat wat wordt getoond door ΔFosB. Zoals afgebeeld in Fig 2, CREB-activering is zeer van voorbijgaande aard in reactie op acute toediening van geneesmiddelen en keert terug naar normale niveaus binnen een dag of twee na opname. Bovendien vindt CREB-activering plaats in zowel de dynorfine- als enkefalineaftypen van middelgrote stekelige neuronen.34) In tegenstelling tot cocaïne en opiaten vertoont CREB meer gecompliceerde en gevarieerde reacties op andere drugsverslaafden.4)

Experimenten met de induceerbare overexpressie van CREB of een dominante negatieve mutant in bitransgene muizen of met virale vectoren hebben aangetoond dat activering van CREB - in schril contrast met ΔFosB - in de nucleus accumbens de belonende effecten van cocaïne en opiaten vermindert, zoals beoordeeld ter plaatse conditionering assays.37,38) Desondanks bevordert CREB-activering, zoals AFosB-inductie, de zelftoediening van geneesmiddelen.39) Belangrijk is dat effecten met dominante negatieve CREB gevalideerd zijn met induceerbare knock-downs van endogene CREB-activiteit.39-41) Het is interessant dat beide transcriptiefactoren vrijwillige inname van geneesmiddelen veroorzaken; vermoedelijk doet ΔFosB dit via positieve versterking, terwijl CREB dit fenotype via negatieve versterking induceert. De laatste mogelijkheid komt overeen met aanzienlijk bewijs dat de CREB-activiteit in dit hersengebied een negatieve emotionele toestand veroorzaakt.34,42)

CREB-activiteit is direct gekoppeld aan de functionele activiteit van nucleus accumbens medium stekelige neuronen. CREB-overexpressie neemt toe, terwijl dominant-negatieve CREB afneemt, de elektrische exciteerbaarheid van middelgrote stekelige neuronen.43) Mogelijke verschillen tussen dynorfine en enkefaline-neuronen zijn nog niet onderzocht. De waarneming dat viraal gemedieerde overexpressie van een K+ kanaalsubeenheid in de nucleus accumbens, die middelgrote spiny neuron-exciteerbaarheid verlaagt, verbetert locomotorische reacties op cocaïne suggereert dat CREB werkt als een breuk op gedragssensibilisatie voor cocaïne door stimulatie van de neuron-prikkelbaarheid.43)

Drugs van misbruik activeren CREB in verschillende hersenregio's buiten de nucleus accumbens. Een voorbeeld is het ventrale tegmentale gebied, waar chronische toediening van cocaïne of opiaten CREB activeert in dopaminerge en niet-dopaminerge neuronen. Dit effect lijkt de lonende reacties van drugsverslaafden te bevorderen of te verzwakken, afhankelijk van de subregio van het getroffen ventrale tegmentale gebied.

Talloze doelwitgenen voor CREB zijn geïdentificeerd, door zowel open-eindige als kandidaat-genbenaderingen, die deze en andere effecten mediëren op nucleus accumbens medium-spiny-neuronen en het resulterende CREB-gedragsfenotype.18,32,36) Belangrijke voorbeelden zijn de opioïde peptidedynorfine,37) die de dopaminerge signalering naar de nucleus accumbens voedt en onderdrukt, zoals eerder vermeld.24,25) Ook zijn betrokken bepaalde glutamaatreceptorsubeenheden, zoals de GluA1 AMPA-subeenheid en GluN2B NMDA-subeenheid, evenals K+ en Na+ ionkanaalsubeenheden, waarvan te verwachten valt dat ze de exciteerbaarheid van kernaccelentcellen onder controle hebben.43,44) BDNF is nog steeds een ander doelwitgen voor CREB in nucleus accumbens en het is ook betrokken bij het mediëren van het CREB-gedragsfenotype.35) Van CREB-inductie is ook aangetoond dat het bijdraagt ​​aan de inductie van dendritische stekels door cocaïne op medium stekelige neuronen van nucleus accumbens.45)

CREB is slechts een van de vele verwante eiwitten die CRE's binden en de transcriptie van doelwitgenen reguleren. Verschillende producten van het cyclische AMP-responselementmodulator (CREM) -gen reguleren CRE-gemedieerde transcriptie. Sommige van de producten (bijv. CREM) zijn transcriptieactivatoren, terwijl andere (bijv. ICER of induceerbare cyclische AMP-repressor) functioneren als endogene dominante negatieve antagonisten. Bovendien kunnen verschillende activerende transcriptiefactoren (ATF's) de genexpressie gedeeltelijk beïnvloeden door te binden aan CRE-sites. Recente studies hebben deze verschillende transcriptiefactoren in verband gebracht met medicijnreacties. Amfetamine induceert ICER-expressie in nucleus accumbens, en overexpressie van ICER in deze regio, door gebruik van viraal-gemedieerde genoverdracht, verhoogt de gevoeligheid van een dier voor de gedragseffecten van het medicijn.46) Dit is in overeenstemming met de bevindingen, hierboven geciteerd, dat lokale overexpressie van dominante negatieve CREB-mutanten of lokale knockdown van CREB soortgelijke effecten uitoefent. Amfetamine induceert ook ATF2, ATF3 en ATF4 in nucleus accumbens, terwijl er geen effect wordt waargenomen voor ATF1 of CREM.47) ATF2-overexpressie in deze regio, zoals die van ICER, verhoogt de gedragsreacties op amfetamine, terwijl ATF3 of ATF4 overexpressie het tegenovergestelde effect heeft. Er is heel weinig bekend over de doelwitgenen voor deze verschillende CREB-familie-eiwitten, een belangrijke richting voor toekomstig onderzoek.

NFKB

Nucleaire factor-κB (NFκB), een transcriptiefactor die snel wordt geactiveerd door diverse stimuli, kan het best worden bestudeerd vanwege zijn rol bij ontstekingen en immuunresponsen. Het is recentelijk aangetoond dat het belangrijk is in synaptische plasticiteit en geheugen.48) NFKB wordt in de nucleus accumbens geïnduceerd door herhaalde toediening van cocaïne,49,50) waar het nodig is voor de inductie van cocaïne van dendritische stekels van nucleus accumbens medium stekelige neuronen. Een dergelijke inductie van NFκB draagt ​​bij aan sensibilisatie voor de belonende effecten van het medicijn.50) Een belangrijk doel van het huidige onderzoek is het identificeren van de doelwitgen waardoor NFκB deze cellulaire en gedragsmatige plasticiteit veroorzaakt.

Interessant is dat cocaïne-inductie van NFκB wordt gemedieerd via ΔFosB: ΔFosB overexpressie in nucleus accumbens induceert NFκB, terwijl overexpressie van het AcJun dominante negatieve cocaïne-inductie van de transcriptiefactor blokkeert.21,49) Regulering van NFKB door ΔFosB illustreert de complexe transcriptiecascades die betrokken zijn bij geneesmiddelwerking. Eveneens is NFKB geïmpliceerd in enkele van de neurotoxische effecten van methamfetamine in striatale gebieden.51) De rol van NFKB in medium spiny neuron spinogenese is onlangs uitgebreid naar stress- en depressiemodellen,52) een vondst van bijzonder belang gezien de comorbiditeit van depressie en verslaving, en het goed bestudeerde fenomeen van stress-geïnduceerde terugval naar drugsmisbruik.

MEF2

Myocyte-verhogende factor-2 (MEF2) werd ontdekt vanwege zijn rol in het reguleren van cardiale myogenese. Meer terugkomend, MEF2 is betrokken bij de hersenfunctie.53) Meerdere MEF2-isovormen komen tot expressie in de hersenen, inclusief in nucleus accumbens medium stekelige neuronen, waar zij homo- en heterodimeren vormen die gentranscriptie kunnen activeren of onderdrukken, afhankelijk van de aard van de eiwitten die zij recruteren. Recent werk schetst een mogelijk mechanisme waardoor chronische cocaïne de MEF2-activiteit in de nucleus accumbens onderdrukt, gedeeltelijk door een D1-receptor-cAMP-afhankelijke remming van calcineurine, een Ca2+-afhankelijke eiwitfosfatase.28) Cocaïne regulatie van Cdk5, dat ook een doelwit is voor cocaïne en ΔFosB zoals eerder vermeld, kan ook een rol spelen. Deze reductie in MEF2-activiteit is vereist voor cocaïne-inductie van dendritische stekels op middelgrote stekelige neuronen. Een belangrijk aandachtspunt in het huidige werk is het identificeren van de doelwitgenen door MEF2 produceert dit effect.

TOEKOMSTIGE RICHTINGEN

De hierboven besproken transcriptiefactoren zijn slechts enkele van de vele die in de loop der jaren in verslavingsmodellen zijn bestudeerd. Andere die betrokken zijn bij verslaving zijn de glucocorticoïde receptor, nucleus accumbens 1 transcriptiefactor (NAC1), vroege groeiresponsfactoren (EGR's) en signaaltransducers en activatoren van transcriptie (STATs).1,2) Als slechts één voorbeeld is de glucocorticoïde receptor vereist in dopaminoceptieve neuronen voor het zoeken naar cocaïne.54) Het doel van toekomstig onderzoek is om een ​​vollediger beeld te krijgen van de transcriptiefactoren die worden geïnduceerd in nucleus accumbens en andere hersenbeloningsregio's als reactie op chronische blootstelling aan misbruikt drugs en om het bereik van doelgenen te definiëren die ze beïnvloeden om bij te dragen aan het gedragsfenotype van verslaving.

Het andere hoofddoel van toekomstig onderzoek is om de precieze moleculaire stappen af ​​te bakenen waarmee deze verschillende transcriptiefactoren hun doelgenen reguleren. Zo weten we nu dat transcriptiefactoren de genexpressie controleren door een reeks co-activator- of co-repressor-eiwitten aan hun doelgenen toe te wijzen die samen de structuur van chromatine rond de genen en de daaropvolgende rekrutering van het RNA-polymerase II-complex dat katalyseert, reguleert. transcriptie.4) Recent onderzoek heeft bijvoorbeeld aangetoond dat het vermogen van ΔFosB om het cdk5-gen te induceren optreedt in combinatie met de rekrutering van een histon-acetyltransferase en gerelateerde chromatine-hermodellerende eiwitten aan het gen.55) Daarentegen vindt het vermogen van ΔFosB om het c-Fos-gen te onderdrukken plaats in combinatie met de rekrutering van een histondeacetylase en vermoedelijk verschillende andere repressieve eiwitten zoals een repressief histon-methyltransferase (Fig 3).2,9,31) Aangezien honderden chromatine regulerende eiwitten waarschijnlijk worden gerekruteerd voor een gen in combinatie met de activering of repressie, is dit werk slechts het topje van de ijsberg van enorme hoeveelheden informatie die de komende jaren moeten worden ontdekt.

Fig 3    

Epigenetische mechanismen van ΔFosB-actie. De figuur illustreert de zeer verschillende gevolgen wanneer ΔFosB bindt aan een gen dat het activeert (bijv. Cdk5) versus onderdrukken (bijv. c-Fos). Bij de Cdk5 promotor (A), ΔFosB werft histon ...

Naarmate vooruitgang wordt geboekt bij het identificeren van doelwitgenen voor door geneesmiddelen gereguleerde transcriptiefactoren, zal deze informatie een steeds vollediger sjabloon verschaffen dat kan worden gebruikt als leidraad bij het ontdekken van geneesmiddelen. Men hoopt dat nieuwe medicatiebehandelingen zullen worden ontwikkeld op basis van deze dramatische vooruitgang in ons begrip van transcriptiemechanismen die ten grondslag liggen aan verslaving.

Referenties

1. Nestler EJ. Moleculaire basis van langetermijnplasticiteit ten grondslag aan verslaving. Nat Rev Neurosci. 2001;2: 119-128. [PubMed]
2. Nestler EJ. Beoordeling. Transcriptionele verslavingsmechanismen: rol van delta FosB. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2008;363: 3245-3255. [PMC gratis artikel] [PubMed]
3. Nestler EJ. Moleculaire neurobiologie van verslaving. Am J Addict. 2001;10: 201-217. [PubMed]
4. Robison AJ, Nestler EJ. Transcriptionele en epigenetische verslavingsmechanismen. Nat Rev Neurosci. 2011;12: 623-637. [PMC gratis artikel] [PubMed]
5. Morgan JI, Curran T. Onmiddellijke vroege genen: tien jaar later. Trends Neurosci. 1995;18: 66-67. [PubMed]
6. Perrotti LI, Weaver RR, Robison B, Renthal W, Maze I, Yazdani S, et al. Verschillende patronen van DeltaFosB-inductie in de hersenen door misbruik van drugs. Synapse. 2008;62: 358-369. [PMC gratis artikel] [PubMed]
7. Chen J, Kelz MB, Hope BT, Nakabeppu Y, Nestler EJ. Chronische Fos-gerelateerde antigenen: stabiele varianten van deltaFosB geïnduceerd in hersenen door chronische behandelingen. J Neurosci. 1997;17: 4933-4941. [PubMed]
8. Hiroi N, Brown J, Haile C, Ye H, Greenberg ME, Nestler EJ. FosB-mutante muizen: verlies van chronische cocaïne-inductie van Fos-gerelateerde eiwitten en verhoogde gevoeligheid voor de psychomotorische en belonende effecten van cocaïne. Proc Natl Acad Sci USA. 1997;94: 10397-10402. [PMC gratis artikel] [PubMed]
9. Renthal W, Carle TL, Maze I, Covington HE, 3rd, Truong HT, Alibhai I, et al. Delta FosB bemiddelt epigenetische desensitisatie van het c-fos-gen na chronische blootstelling aan amfetamine. J Neurosci. 2008;28: 7344-7349. [PMC gratis artikel] [PubMed]
10. Hiroi N, Marek GJ, Brown JR, Ye H, Saudou F, Vaidya VA, et al. Essentiële rol van het fosB-gen in moleculaire, cellulaire en gedragsmatige acties van chronische elektroconvulsieve aanvallen. J Neurosci. 1998;18: 6952-6962. [PubMed]
11. Jorissen H, Ulery P, Henry L, Gourneni S, Nestler EJ, Rudenko G. Dimerisatie en DNA-bindende eigenschappen van de transcriptiefactor DeltaFosB. Biochemie. 2007;46: 8360-8372. [PubMed]
12. Winstanley CA, LaPlant Q, Theobald DEH, Green TA, Bachtell RK, Perrotti LI, et al. DeltaFosB-inductie in orbitofrontale cortex medieert tolerantie voor door cocaïne geïnduceerde cognitieve dysfunctie. J Neurosci. 2007;27: 10497-10507. [PubMed]
13. Alibhai IN, Green TA, Potashkin JA, Nestler EJ. Regulering van de mRNA-expressie van fosB en DeltafosB: in vivo en in vitro studies. Brain Res. 2007;1143: 22-33. [PMC gratis artikel] [PubMed]
14. Ulery PG, Rudenko G, Nestler EJ. Regulering van DeltaFosB-stabiliteit door fosforylering. J Neurosci. 2006;26: 5131-5142. [PubMed]
15. Ulery-Reynolds PG, Castillo MA, Vialou V, Russo SJ, Nestler EJ. Fosforylering van DeltaFosB bemiddelt de stabiliteit in vivo. Neuroscience. 2009;158: 369-372. [PMC gratis artikel] [PubMed]
16. Carle TL, Ohnishi YN, Ohnishi YH, Alibhai IN, Wilkinson MB, Kumar A, et al. De afwezigheid van een geconserveerd C-terminaal degron-domein draagt ​​bij aan de unieke stabiliteit van ΔFosB. Eur J Neurosci. 2007;25: 3009-3019. [PubMed]
17. Kelz MB, Chen J, Carlezon WA, Jr, Whisler K, Gilden L, Beckmann AM, et al. Expressie van de transcriptiefactor deltaFosB in de hersenen regelt de gevoeligheid voor cocaïne. Natuur. 1999;401: 272-276. [PubMed]
18. McClung CA, Nestler EJ. Regulatie van genexpressie en cocaïnebeloning door CREB en DeltaFosB. Nat Neurosci. 2003;6: 1208-1215. [PubMed]
19. Zachariou V, Bolanos CA, Selley DE, Theobald D, Cassidy MP, Kelz MB, et al. DeltaFosB: een essentiële rol voor DeltaFosB in de nucleus accumbens in morfineactie. Nat Neurosci. 2006;9: 205-211. [PubMed]
20. Colby CR, Whisler K, Steffen C, Nestler EJ, Self DW. Striatale celtypespecifieke overexpressie van DeltaFosB verhoogt de stimulans voor cocaïne. J Neurosci. 2003;23: 2488-2493. [PubMed]
21. Peakman MC, Colby C, Perrotti LI, Tekumalla P, Carle T, Ulery P, 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]
22. Winstanley CA, Bachtell RK, Theobald DE, Laali S, Green TA, Kumar A, et al. Verhoogde impulsiviteit tijdens terugtrekking uit zelftoediening door cocaïne: rol voor DeltaFosB in de orbitofrontale cortex. Cereb Cortex. 2009;19: 435-444. [PMC gratis artikel] [PubMed]
23. Kauer JA, Malenka RC. Synaptische plasticiteit en verslaving. Nat Rev Neurosci. 2007;8: 844-858. [PubMed]
24. Shippenberg TS, Rea W. Sensibilisatie voor de gedragseffecten van cocaïne: modulatie door dynorfine en kappa-opioïde receptoragonisten. Pharmacol Biochem Behav. 1997;57: 449-455. [PubMed]
25. Bruchas MR, Land BB, Chavkin C. Het dynorphin / kappa opioïde-systeem als modulator van door stress veroorzaakt en pro-verslavend gedrag. Brain Res. 2010;1314: 44-55. [PMC gratis artikel] [PubMed]
26. Bibb JA, Chen J, Taylor JR, Svenningsson P, Nishi A, Snyder GL, et al. Effecten van chronische blootstelling aan cocaïne worden gereguleerd door het neuronale eiwit Cdk5. Natuur. 2001;410: 376-380. [PubMed]
27. Norrholm SD, Bibb JA, Nestler EJ, Ouimet CC, Taylor JR, Greengard P. Door cocaïne geïnduceerde proliferatie van dendritische stekels in nucleus accumbens is afhankelijk van de activiteit van cycline-afhankelijk kinase-5. Neuroscience. 2003;116: 19-22. [PubMed]
28. Pulipparacharuvil S, Renthal W, Hale CF, Taniguchi M, Xiao G, Kumar A, et al. Cocaïne reguleert MEF2 om de synaptische en gedragsmatige plasticiteit te beheersen. Neuron. 2008;59: 621-633. [PMC gratis artikel] [PubMed]
29. Robinson TE, Kolb B. Structurele plasticiteit geassocieerd met blootstelling aan drugs van misbruik. Neurofarmacologie. 2004;47(Suppl 1): 33-46. [PubMed]
30. Russo SJ, Dietz DM, Dumitriu D, Morrison JH, Malenka RC, Nestler EJ. De verslaafde synaps: mechanismen van synaptische en structurele plasticiteit in nucleus accumbens. Trends Neurosci. 2010;33: 267-276. [PMC gratis artikel] [PubMed]
31. Maze I, Covington HE, 3rd, Dietz DM, LaPlant Q, Renthal W, Russo SJ, et al. Essentiële rol van het histon-methyltransferase G9a in door cocaïne geïnduceerde plasticiteit. Science. 2010;327: 213-216. [PMC gratis artikel] [PubMed]
32. Renthal W, Kumar A, Xiao G, Wilkinson M, Covington HE, 3rd, Maze I, et al. Genoom-brede analyse van chromatine regulatie door cocaïne onthult een rol voor sirtuins. Neuron. 2009;62: 335-348. [PMC gratis artikel] [PubMed]
33. Mayr B, Montminy M. Transcriptionele regulatie door de fosforylatie-afhankelijke factor CREB. Nat Rev Mol Cell Biol. 2001;2: 599-609. [PubMed]
34. Carlezon WA, Jr, Duman RS, Nestler EJ. De vele gezichten van CREB. Trends Neurosci. 2005;28: 436-445. [PubMed]
35. Graham DL, Edwards S, Bachtell RK, DiLeone RJ, Rios M, Self DW. Dynamische BDNF-activiteit in nucleus accumbens met cocaïnegebruik verhoogt zelftoediening en terugval. Nat Neurosci. 2007;10: 1029-1037. [PubMed]
36. Briand LA, Blendy JA. Moleculaire en genetische substraten die stress en verslaving met elkaar verbinden. Brain Res. 2010;1314: 219-234. [PMC gratis artikel] [PubMed]
37. Carlezon WA, Jr, Thome J, Olson VG, Lane-Ladd SB, Brodkin ES, Hiroi N, et al. Regulering van de cocaïnebeloning door CREB. Science. 1998;282: 2272-2275. [PubMed]
38. Barrot M, Olivier JD, Perrotti LI, DiLeone RJ, Berton O, Eisch AJ, et al. CREB-activiteit in de nucleus accumbens-schaal bestuurt de gating van gedragsreacties op emotionele stimuli. Proc Natl Acad Sci US A. 2002;99: 11435-11440. [PMC gratis artikel] [PubMed]
39. Larson EB, Graham DL, Arzaga RR, Buzin N, Webb J, Green TA, et al. Overexpressie van CREB in de nucleus accumbens schaal verhoogt de cocaïne versterking bij zelf-toedienende ratten. J Neurosci. 2011;31: 16447-16457. [PMC gratis artikel] [PubMed]
40. Green TA, Alibhai IN, Roybal CN, Winstanley CA, Theobald DE, Birnbaum SG, et al. Omgevingsverrijking produceert een gedragsfenotype dat wordt gemedieerd door laag cyclische activiteit van adenosinemonofosfaatresponselement (CREB) in de nucleus accumbens. Biol Psychiatry. 2010;67: 28-35. [PMC gratis artikel] [PubMed]
41. Vialou V, Feng J, Robison AJ, Ku SM, Ferguson D, Scobie KN, et al. Serumresponsfactor en cAMP-responselement bindend eiwit zijn beide vereist voor cocaïne-inductie van deltaFosB. J Neurosci. 2012;32: 7577-7584. [PMC gratis artikel] [PubMed]
42. Dinieri JA, Nemeth CL, Parsegian A, Carle T, Gurevich VV, Gurevich E, et al. Veranderde gevoeligheid voor belonende en aversieve geneesmiddelen bij muizen met induceerbare verstoring van cAMP-responselement-bindende eiwitfunctie in de nucleus accumbens. J Neurosci. 2009;29: 1855-1859. [PMC gratis artikel] [PubMed]
43. Dong Y, Green T, Saal D, Marie H, Neve R, Nestler EJ, et al. CREB moduleert de prikkelbaarheid van nucleus accumbens neuronen. Nat Neurosci. 2006;9: 475-477. [PubMed]
44. Huang YH, Lin Y, Brown TE, Han MH, Saal DB, Neve RL, et al. CREB moduleert de functionele output van nucleus accumbens neuronen: een cruciale rol van N-methyl-D-aspartaat glutamaatreceptor (NMDAR) -receptoren. J Biol Chem. 2008;283: 2751-2760. [PMC gratis artikel] [PubMed]
45. Brown TE, Lee BR, Mu P, Ferguson D, Dietz D, Ohnishi YN, et al. Een stil synaps gebaseerd mechanisme voor door cocaïne geïnduceerde locomotorisatie. J Neurosci. 2011;31: 8163-8174. [PMC gratis artikel] [PubMed]
46. Groene TA, Alibhai IN, Hommel JD, DiLeone RJ, Kumar A, Theobald DE, et al. Inductie van induceerbare cAMP vroege repressor-expressie in nucleus accumbens door stress of amfetamine verhoogt gedragsreacties op emotionele stimuli. J Neurosci. 2006;26: 8235-8242. [PubMed]
47. Groene TA, Alibhai IN, Unterberg S, Neve RL, Ghose S, Tamminga CA, et al. Inductie van activerende transcriptiefactoren (ATF's) ATF2, ATF3 en ATF4 in de nucleus accumbens en hun regulatie van emotioneel gedrag. J Neurosci. 2008;28: 2025-2032. [PubMed]
48. Meffert MK, Baltimore D. Fysiologische functies voor hersenen NF-kappaB. Trends Neurosci. 2005;28: 37-43. [PubMed]
49. Ang E, Chen J, Zagouras P, Magna H, Holland J, Schaeffer E, et al. Inductie van nucleaire factor-kappaB in nucleus accumbens door chronisch cocaïnebeleid. J Neurochem. 2001;79: 221-224. [PubMed]
50. Russo SJ, Wilkinson MB, Mazei-Robison MS, Dietz DM, Maze I, Krishnan V, et al. Nuclear factor kappa B signalering reguleert neuronale morfologie en cocaïnebeloning. J Neurosci. 2009;29: 3529-3537. [PMC gratis artikel] [PubMed]
51. Asanuma M, Cadet JL. Metamphetamine-geïnduceerde toename in striatale NF-kappaB DNA-bindende activiteit wordt verzwakt in superoxide dismutase transgene muizen. Brain Res Mol Brain Res. 1998;60: 305-309. [PubMed]
52. Christoffel DJ, Golden SA, Dumitriu D, Robison AJ, Janssen WG, Ahn HF, et al. IκB-kinase reguleert de sociale nederlaag door stress veroorzaakte synaptische en gedragsmatige plasticiteit. J Neurosci. 2011;31: 314-321. [PMC gratis artikel] [PubMed]
53. Flavell SW, Kim TK, Gray JM, Harmin DA, Hemberg M, Hong EJ, et al. Genoom-brede analyse van MEF2 transcriptieprogramma onthult synaptische doelwitgenen en selectie van neuronale activiteit-afhankelijke polyadenylatieplaatsen. Neuron. 2008;60: 1022-1038. [PMC gratis artikel] [PubMed]
54. Ambroggi F, Turiault M, Milet A, Deroche-Gamonet V, Parnaudeau S, Balado E, et al. Stress en verslaving: glucocorticoïde receptor in dopaminoceptieve neuronen vergemakkelijkt het zoeken naar cocaïne. Nat Neurosci. 2009;12: 247-249. [PubMed]
55. Kumar A, Choi KH, Renthal W, Tsankova NM, Theobald DE, Truong HT, et al. Chromatine-hermodellering is een sleutelmechanisme dat ten grondslag ligt aan de door cocaïne geïnduceerde plasticiteit in striatum. Neuron. 2005;48: 303-314. [PubMed]