Transkripsjonsmekanismer av narkotikamisbruk (2012)

INNLEDNING

Studien av transkripsjonsmekanismer av avhengighet er basert på hypotesen om at regulering av genuttrykk er en viktig mekanisme hvor kronisk eksponering for et misbrukemiddel forårsaker langvarige forandringer i hjernen som ligger til grund for adferdsavvik som definerer en tilstand av avhengighet.1,2) En følge av denne hypotesen er at forandringer indusert i funksjonen av flere nevrotransmittersystemer, og i morfologien til visse neuronalcelletyper i hjernen, ved kronisk medikamentadministrasjon formidles delvis gjennom endringer i genuttrykk.

Selvfølgelig er ikke alle medikament-induserte nevrale og atferdsplastisitet formidlet på nivået av genuttrykk, da vi kjenner de avgjørende bidragene til translasjons- og posttranslasjonelle modifikasjoner og proteinhandel i avhengighetsrelaterte fenomener. På den annen side er regulering av genuttrykk en sentral mekanisme og sannsynligvis særlig viktig for livslang abnormalitet som preger avhengighet. Faktisk gir transkripsjonsregulering en mal over hvilke disse andre mekanismer opererer.

Arbeid de siste ~ 15 årene har gitt økende bevis for en rolle som genuttrykk i narkotikamisbruk, ettersom flere transkripsjonsfaktorer - proteiner som binder til spesifikke responselementer i promoterregionene til målgener og regulerer genenes uttrykk - har blitt implisert i narkotikahandling. I henhold til denne ordningen, vist i Fig. 1, misbrukemidler, via sine opprinnelige handlinger ved synaps, produserer endringer innen nevroner som signalerer til kjernen og regulerer aktiviteten til mange transkripsjonsfaktorer og mange andre typer transkriptjonelle regulatoriske proteiner.3) A Disse kjernevirksomhetene endres gradvis og gradvis bygger med gjentatt legemiddeleksponering og ligger til grunn for stabile endringer i uttrykket av spesifikke målgener, som igjen bidrar til varige endringer i nevralefunksjonen som opprettholder en tilstand av avhengighet.1,4)

Denne anmeldelsen fokuserer på flere transkripsjonsfaktorer, som har vist seg å spille viktige roller i avhengighet. Vi fokuserer videre på medikamentregulerte transkripsjonsfaktorer i hjernens belønningskretsløp, områder av hjernen som normalt regulerer individets respons på naturlige belønninger (for eksempel mat, kjønn, sosial interaksjon), men er ødelagt av kronisk stoffeksponering for å forårsake avhengighet. Dette hjernebelønningskretsløpet inkluderer dopaminerge nevroner i det ventrale tegmentale området i mellomhjernen og de flere regionene av limbisk forhjernen de innerverer, inkludert nucleus accumbens (ventral striatum), prefrontal cortex, amygdala og hippocampus, blant andre. Som det vil sees, har det store flertallet av forskningen på transkripsjonsmessige avhengighetsmekanismer hittil konsentrert seg om nucleus accumbens.

ΔFosB

ΔFosB er kodet av FosB gen og deler homologi med andre Fos familietransskripsjonsfaktorer, som inkluderer c-Fos, FosB, Fra1 og Fra2.5) Disse Fos-familieproteinene heterodimeriseres med Jun-familieproteiner (c-Jun, JunB eller JunD) for å danne aktive aktivatorprotein-1 (AP1) transkripsjonsfaktorer som binder til AP1-steder som er tilstede i promotorer av bestemte gener for å regulere deres transkripsjon. Disse Fos-familieproteinene induceres raskt og forbigående i bestemte hjerneområder etter akutt administrasjon av mange rusmidler (Fig. 2).2) Disse responsene ses mest fremtredende i kjernen accumbens og dorsal striatum, men ses også i flere andre hjerneområder.6) Alle disse Fos-familieproteinene er imidlertid svært ustabile og går tilbake til basale nivåer innen få timer etter legemiddeladministrasjon.

Svært forskjellige responser er sett etter kronisk administrasjon av rusmidler (Fig. 2). Biokjemisk modifiserte isoformer av ΔFosB (M_r 35-37 kD) akkumuleres innenfor de samme hjerneområdene etter gjentatt legemiddeleksponering, mens alle Fos-familiemedlemmer viser toleranse (det vil si redusert induksjon sammenlignet med de første legemiddeleksponeringene).7-9) Slike akkumulering av ΔFosB har blitt observert for praktisk talt alle stoffer av misbruk, selv om forskjellige stoffer varierer noe i den relative grad av induksjon sett i kjernen accumbens core vs shell, dorsal striatum og andre hjernegrupper.2,6) I det minste for noen misbruksmedisiner virker induksjon av ΔFosB selektiv for den dynorfinholdige undergruppen av middels spiny nevroner - de som overveiende uttrykker D1-dopaminreseptorer - innenfor striatale regioner. 35-37 kD isoformene av ΔFosB dimeriseres hovedsakelig med JunD for å danne et aktivt og langvarig AP-1-kompleks i disse hjerneområdene,7,10) selv om det er noen bevis fra vitro Undersøker at ΔFosB kan danne homodimerer.11) Drug induksjon av ΔFosB i kjernen accumbens ser ut til å være et svar på stoffets farmakologiske egenskaper per se og ikke relatert til voluntivt legemiddelinntak, siden dyr som selv administrerer kokain eller mottar yoked medikamentinjeksjoner, viser tilsvarende induksjon av denne transkripsjonsfaktoren i denne hjernegionen.6) I motsetning krever ΔFosB-induksjon i visse andre regioner, for eksempel orbitofrontal cortex, farmasøytisk administrasjon av volum.12)

35-37 kD ΔFosB isoformene akkumuleres ved kronisk stoffeksponering på grunn av deres ekstraordinært lange halveringstid.7-13) Som et resultat av stabiliteten fortsetter ΔFosB-proteinet i nevroner i minst adskillige uker etter opphør av legemiddeleksponering. Vi vet nå at denne stabiliteten skyldes to faktorer: 1) fraværet i ΔFosB av to degron-domener, som er tilstede ved C-terminalen av full lengde FosB og alle andre Fos-familieproteiner og målretter disse proteinene mot rask nedbrytning, og 2) fosforyleringen av FFosB ved sin N-terminus med kasein-kinase 2 og kanskje andre proteinkinaser.14-16) Stabiliteten til ΔFosB-isoformene gir en ny molekylær mekanisme der medisininduserte endringer i genekspresjon kan vedvare til tross for relativt lange perioder med medikamentuttak. Vi har derfor foreslått at ΔFosB fungerer som en vedvarende "molekylær bryter" som hjelper til med å initiere og deretter opprettholde en avhengig tilstand.1,2)

CREB

Syklisk AMP-responselementbindende protein (CREB) er en av de mest studerte transkripsjonsfaktorene i nevrovitenskap og har blitt involvert i ulike aspekter ved nevral plasticitet.33) Den danner homodimerer som kan binde seg til gener ved sykliske AMP-responselementer (CREs), men aktiverer primært transkripsjon etter at den har blitt fosforylert ved Ser133 (ved en hvilken som helst av flere proteinkinaser), som muliggjør rekruttering av CREB-bindende protein (CBP) som da fremmer transkripsjon. Mekanismen ved hvilken CREB-aktivering undertrykker uttrykket av visse gener, er mindre godt forstått.

Både psykostimulerende midler (kokain og amfetamin) og opiater øker CREB-aktiviteten, akutt og kronisk - målt ved økt fosfo-CREB (pCREB) eller reportergenaktivitet i CRE-LacZ transgene mus - i flere hjerneområder, inkludert nucleus accumbens og dorsal striatum .34-36) Tidsforløpet av denne aktiveringen er svært forskjellig fra det som vises av ΔFosB. Som avbildet i Fig. 2, CREB-aktivering er svært forbigående som respons på akutt legemiddeladministrasjon og vender tilbake til normale nivåer innen en dag eller to etter uttak. I tillegg oppstår CREB-aktivering i både dynorfin- og enkephalin-subtyper av middels spiny nevroner.34) I motsetning til kokain og opiater, viser CREB mer kompliserte og varierte svar på andre rusmidler.4)

Eksperimenter som involverer den induserbare overekspresjonen av CREB eller en dominerende negativ mutant i bitransgene mus eller med virale vektorer har vist at aktivering av CREB - i slående kontrast til ΔFosB - i nucleus accumbens reduserer de givende effektene av kokain og av opiater som vurdert i stedet condition analyser.37,38) Likevel fremmer CREB-aktivering, som ΔFosB-induksjon, selvbehandling av medikament.39) Viktig er at effekter med dominant negativ CREB er validert med inducerbare knockdowns av endogen CREB aktivitet.39-41) Det er interessant at begge transkripsjonsfaktorer kjører voluntivt legemiddelinntak; antagelig ΔFosB gjør det via positiv forsterkning, mens CREB inducerer denne fenotypen via negativ forsterkning. Sistnevnte mulighet er konsistent med betydelig bevis på at CREB-aktivitet i denne hjernegruppen gir en negativ følelsesmessig tilstand.34,42)

CREB-aktivitet har vært direkte knyttet til den funksjonelle aktiviteten til kjernen accumbens medium spiny nevroner. CREB-overekspresjonen øker, mens dominant-negativ CREB reduseres, den elektriske spenningen av middels spiny nevroner.43) Mulige forskjeller mellom dynorfin- og enkefalin-neuroner er ikke utforsket. Observasjonen at viral-mediert overekspresjon av en K⁺ kanalunderenhet i nukleinsystemet, noe som reduserer spenningen i medium spiny neuron, forbedrer lokomotoriske responser til kokain, antyder at CREB fungerer som en pause på atferdssensibilisering mot kokain ved oppregulering av neuron-spenning.43)

Misbruk av narkotika aktiverer CREB i flere hjernegrupper utover nukleinsystemet. Et eksempel er det ventrale tegmentale området, hvor kronisk administrasjon av kokain eller opiater aktiverer CREB innen dopaminerge og ikke-dopaminerge nevroner. Denne effekten ser ut til å fremme eller dempe de givende svarene på misbruk av stoffer, avhengig av delregionen av det ventrale tegmentale området som er berørt.

Tallrike målgener for CREB har blitt identifisert gjennom både åpne og kandidatgen-tilnærminger, som medierer disse og andre effekter på kjernen accumbens medium spiny nevroner og den resulterende CREB atferdsfenotypen.18,32,36) Fremtredende eksempler inkluderer opioidpeptiddynorfinen,37) som strømmer tilbake og undertrykker dopaminerg signalering til nukleotilførselen som angitt tidligere.24,25) Også implicert er visse glutamatreseptor-underenheter, så som GluA1 AMPA-underenheten og GluN2B NMDA-underenheten, så vel som K⁺ og Na⁺ ionkanal-underenheter, som sammen ville forventes å styre kjernen accumbens celle excitability.43,44) BDNF er fortsatt et annet målgen for CREB i nucleus accumbens, og det er også involvert i å formidle CREB-adferdsfenotypen.35) CREB-induksjon har også vist seg å bidra til kokaininduksjon av dendrittiske pigger på nucleus accumbens medium spiny neurons.45)

CREB er bare ett av flere relaterte proteiner som binder CRE og regulerer transkripsjon av målgener. Flere produkter av det sykliske AMP respons element modulator (CREM) genet regulerer CRE-mediert transkripsjon. Noen av produktene (f.eks. CREM) er transkripsjonsaktivatorer, mens andre (f.eks. ICER eller induserbar syklisk AMP-repressor) fungerer som endogene dominerende negative antagonister. I tillegg kan flere aktiverende transkripsjonsfaktorer (ATFer) påvirke genuttrykk delvis ved binding til CRE-nettsteder. Nyere studier har implisert disse forskjellige transkripsjonsfaktorene i medikamentresponser. Amfetamin induserer ICER-ekspresjon i nucleus accumbens, og overekspresjon av ICER i denne regionen, ved bruk av viral-mediert genoverføring, øker et dyrs følsomhet for stoffets atferdseffekter.46) Dette er i samsvar med funnene som er nevnt ovenfor, at lokal overekspresjon av dominerende negative CREB-mutanter eller lokal knockdown av CREB utviser lignende effekter. Amfetamin induserer også ATF2, ATF3 og ATF4 i nucleus accumbens, mens ingen effekt er sett for ATF1 eller CREM.47) ATF2 overeksprimering i denne regionen, som for ICER, øker atferdsresponsen til amfetamin, mens ATF3 eller ATF4 overekspresjon har motsatt effekt. Meget lite er kjent om målgenene for disse forskjellige CREB-familieproteinene, en viktig retning for fremtidig forskning.

NFkB

Nukleær faktor-KB (NFκB), en transkripsjonsfaktor som aktiveres raskt av ulike stimuli, studeres best for sin rolle i betennelse og immunrespons. Det har nylig blitt vist seg å være viktig i synaptisk plastisitet og minne.48) NFκB er indusert i kjernen accumbens ved gjentatt kokainadministrasjon,49,50) der det kreves for kokaininduksjon av dendrittiske pigger av nucleus accumbens medium spiny neurons. Slik induksjon av NFκB bidrar til sensibilisering for stoffets givende effekter.50) Et hovedmål for nåværende forskning er å identifisere målgenene gjennom hvilke NFκB forårsaker denne cellulære og atferdsmessige plastisiteten.

Interessant er kokaininduksjon av NFκB formidlet via ΔFosB: FFBB-overekspresjon i nukleobatterier induserer NFκB, mens overekspresjon av de ΔcJun dominerende negative blokkene kokaininduksjon av transkripsjonsfaktoren.21,49) Regulering av NFκB ved ΔFosB illustrerer de komplekse transkripsjonskaskader involvert i narkotikaaksjon. I tillegg har NFκB blitt involvert i noen av de nevrotoksiske virkningene av metamfetamin i striatale regioner.51) NFKBs rolle i medium spiny neuron spinogenese har nylig blitt utvidet til stress og depresjon modeller,52) et funn av særlig betydning med tanke på komorbiditeten til depresjon og avhengighet, og det godt studerte fenomenet stress-indusert tilbakefall til narkotikamisbruk.

MEF2

Myocytforbedrende faktor-2 (MEF2) ble oppdaget for sin rolle i styring av hjerte-myogenese. Mer gjentatt har MEF2 blitt involvert i hjernens funksjon.53) Flere MEF2 isoformer uttrykkes i hjernen, inkludert i nucleus accumbens medium spiny nevroner, hvor de danner homo- og heterodimerer som kan aktivere eller undertrykke gentranskripsjon avhengig av naturen til proteiene de rekrutterer. Nyere arbeid skisserer en mulig mekanisme hvor kronisk kokain undertrykker MEF2 aktivitet i kjernen accumbens delvis gjennom en D1 reseptor-cAMP-avhengig inhibering av calcineurin, en Ca2⁺-avhengig proteinfosfatase.28) Kokainregulering av Cdk5, som også er et mål for kokain og ΔFosB som nevnt tidligere, kan også være involvert. Denne reduksjonen i MEF2-aktivitet er nødvendig for kokaininduksjon av dendritiske spines på middels spiny nevroner. Et viktig fokus i dagens arbeid er å identifisere målgenene gjennom MEF2 produserer denne effekten.

FREMTIDIGE RETNINGER

Transkripsjonsfaktorene som er omtalt ovenfor, er bare noen få av mange som har blitt studert gjennom årene i avhengighetsmodeller. Andre som er involvert i avhengighet, inkluderer glukokortikoidreceptor, nukleon accumbens 1 transkripsjonsfaktor (NAC1), tidlige vekstresponsfaktorer (EGR) og signaltransduktorer og aktivatorer for transkripsjon (STATs).1,2) Som bare ett eksempel er glukokortikoidreceptoren nødvendig i dopaminoceptive neuroner for kokainsøk.54) Målet med fremtidig forskning er å få en mer fullstendig oversikt over transkripsjonsfaktorene indusert i nukleobatterier og andre hjernebelønningsregioner som respons på kronisk eksponering for misbruk av narkotika og å definere rekkevidden av målgener de påvirker for å bidra til atferdsfenotypen av avhengighet.

Det andre hovedmålet med fremtidig forskning er å avgrense de nøyaktige molekylære trinnene som disse ulike transkripsjonsfaktorene regulerer sine målgener. Således vet vi nå at transkripsjonsfaktorer styrer genuttrykk ved å rekruttere til deres målgener en serie med co-aktivator eller co-repressorproteiner som sammen regulerer strukturen av kromatin rundt gener og den etterfølgende rekruttering av RNA-polymeras II-komplekset som katalyserer transkripsjon.4) For eksempel har nyere forskning vist at evnen til ΔFosB til å inducere cdk5 genet forekommer i samspill med rekruttering av en histon acetyltransferase og tilhørende kromatin remodeling proteiner til genet.55) I motsetning til dette skjer evnen til ΔFosB til å undertrykke c-Fos-genet i samspill med rekruttering av en histon-deacetylase og antagelig flere andre repressive proteiner, så som en repressiv histon-metyltransferase (Fig. 3).2,9,31) Gitt at hundrevis av kromatinregulerende proteiner sannsynligvis rekrutteres til et gen i samspill med aktivering eller undertrykkelse, er dette arbeidet bare toppen av isbreen av enorme mengder informasjon som må oppdages i årene som kommer.

    

Fig. 3

Epigenetiske mekanismer av ΔFosB-virkning. Figuren illustrerer de svært forskjellige konsekvensene når ΔFosB binder til et gen som det aktiverer (f.eks. Cdk5) mot represser (f.eks. c-Fos). På Cdk5 promotor (A), ΔFosB rekrutterer histon ...

Siden fremskritt blir gjort for å identifisere målgener for narkotikaregulerte transkripsjonsfaktorer, vil denne informasjonen gi en stadig mer fullstendig mal som kan brukes til å veilede narkotikaforskningsarbeid. Det er håpet at nye medisinske behandlinger vil bli utviklet basert på disse dramatiske fremgangene i vår forståelse av transkripsjonsmekanismer som ligger til grunn for avhengighet.

Referanser