Mecanismele transcripționale ale dependenței de droguri (2012)

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

Nestler EJ.

Sursă

Departamentul de Neuroștiință Fishberg și Friedman Brain Institute, Mount Sinai School of Medicine, New York, SUA.

Abstract

Reglarea expresiei genice este considerată un mecanism plauzibil al dependenței de droguri având în vedere stabilitatea anomaliilor comportamentale care definesc o stare de dependență. Numeroși factori de transcripție, proteine ​​care se leagă de regiunile regulatoare ale genelor specifice și, prin urmare, controlează nivelurile de exprimare ale acestora, au fost implicați în procesul de dependență în ultimii zece ani. Aici trecem în revistă dovezile din ce în ce mai mari pentru rolul jucat de mai mulți factori de transcripție proeminenți, inclusiv o proteină din familia Fos (ΔFosB), proteina de legare a elementului de răspuns CAMP (CREB) și factorul nuclear kappa B (NFκB), printre alții, în dependența de droguri . După cum se va vedea, fiecare factor prezintă o reglementare foarte diferită de droguri de abuz în circuitele de recompensă ale creierului și, la rândul său, mediază aspecte distincte ale fenotipului dependenței. Eforturile curente sunt orientate spre înțelegerea gamei de gene țintă prin care acești factori de transcripție își produc efectele funcționale și mecanismele moleculare de bază implicate. Această lucrare promite să dezvăluie o perspectivă fundamentală nouă asupra bazei moleculare a dependenței, ceea ce va contribui la teste diagnostice îmbunătățite și terapeutice pentru tulburările de dependență.

Cuvinte cheie: Factorii de transcriere, Nucleus accumbens, zona tegmentală ventrală, cortexul orbitofrontal, remodelarea cromatinei, epigenetica

INTRODUCERE

Studiul mecanismelor transcripționale ale dependenței se bazează pe ipoteza că reglarea expresiei genice este un mecanism important prin care expunerea cronică la un drog de abuz provoacă schimbări de durată în creier care stau la baza anomaliilor comportamentale care definesc o stare de dependență.1,2) Un corolar al acestei ipoteze este faptul că schimbările induse în funcționarea mai multor sisteme de neurotransmițător, iar în morfologia anumitor tipuri de celule neuronale din creier, prin administrarea cronică de medicamente sunt mediate parțial prin modificări în expresia genelor.

Desigur, nu toată plasticitatea neuronală și comportamentală indusă de droguri este mediată la nivelul expresiei genice, întrucât cunoaștem contribuțiile cruciale ale modificărilor translaționale și posttranslaționale și ale traficului de proteine ​​în fenomenele legate de dependență. Pe de altă parte, reglarea expresiei genice este un mecanism central și poate fi deosebit de crucial pentru anomaliile de-a lungul vieții care caracterizează dependența. Într-adevăr, reglementarea transcripțională oferă un șablon pe care funcționează aceste alte mecanisme.

Lucrările din ultimii ~ 15 ani au furnizat dovezi în creștere pentru un rol al expresiei genelor în dependența de droguri, întrucât au fost implicați mai mulți factori de transcripție - proteine ​​care se leagă de elemente de răspuns specifice în regiunile promotor ale genelor țintă și reglează expresia acestor gene - în acțiunea drogurilor. Conform acestei scheme, prezentată în Fig. 1, drogurile de abuz, prin acțiunile lor inițiale la sinapsă, produc schimbări în neuroni care semnalează nucleului și reglează numeroși factori de transcripție și multe alte tipuri de proteine ​​de reglare transcripțională.3) A Aceste schimbări nucleare se construiesc treptat și progresiv, cu expunerea repetată la medicamente și stau la baza unor schimbări stabile în expresia genelor țintă specifice care, la rândul lor, contribuie la schimbările durabile ale funcției neuronale care mențin o stare de dependență.1,4)

Un fișier extern care conține o imagine, ilustrare etc. Numele obiectului este cpn-10-136-g001.jpg

Acțiuni transcripționale ale drogurilor de abuz. Deși medicamentele de abuz acționează inițial asupra țintelor proteice imediate la sinapsă, efectele lor funcționale pe termen lung sunt mediate parțial prin reglarea căilor de semnalizare în aval care se transformă în nucleul celular. Aici, reglarea medicamentelor a transfactorilor duce la reglarea stabilă a genelor țintă specifice și la anomalii comportamentale de durată care caracterizează dependența.

Această revizuire se concentrează pe mai mulți factori de transcripție, care s-au dovedit că joacă roluri importante în dependență. Ne concentrăm în continuare pe factorii de transcripție reglementați de droguri în cadrul circuitelor de recompensare ale creierului, zone ale creierului care reglează în mod normal răspunsurile unui individ la recompensele naturale (de exemplu, mâncare, sex, interacțiune socială), dar sunt corupte de expunerea cronică la medicamente pentru a provoca dependență. Acest circuit de recompensare a creierului include neuroni dopaminergici în zona tegmentală ventrală a creierului mediu și în mai multe regiuni ale creierului limbic pe care le inervează, inclusiv nucleul accumbens (ventral striatum), cortexul prefrontal, amigdala și hipocampul, printre altele. După cum se va vedea, marea majoritate a cercetărilor privind mecanismele transcripționale ale dependenței până în prezent s-au concentrat asupra nucleului accumbens.

ΔFosB

ΔFosB este codificat de către FosB gena și împărtășește omologia cu alți factori de transcripție din familia Fos, care includ c-Fos, FosB, Fra1 și Fra2.5) Aceste proteine ​​din familia Fos se heterodimerizează cu proteinele familiei Jun (c-Jun, JunB sau JunD) pentru a forma factori de transcripție activă proteină activă-1 (AP1) care se leagă de site-urile AP1 prezenți în promotorii anumitor gene pentru a regla transcripția lor. Aceste proteine ​​din familia Fos sunt induse rapid și tranzitoriu în anumite regiuni ale creierului după administrarea acută a multor medicamente de abuz (Fig. 2).2) Aceste răspunsuri sunt văzute cel mai proeminent în nucleul accumbens și striatul dorsal, dar și în alte câteva zone ale creierului.6) Totuși, toate aceste proteine ​​de familie Fos sunt foarte instabile și se reîntorc la nivelurile bazale în câteva ore de administrare a medicamentului.

Un fișier extern care conține o imagine, ilustrare etc. Numele obiectului este cpn-10-136-g002.jpg  

Proprietăți temporale distincte ale reglării medicamentului ofFosB vs. CREB. (A) osFosB. Graficul de sus prezintă mai multe valuri de proteine ​​din familia Fos (compuse din c-Fos, FosB, ΔFosB [izoformă de 33 kD], Fra1, Fra2) induse în nucleul accumbens prin administrarea acută a unui medicament de abuz. De asemenea, sunt induse izoforme modificate biochimic ale osFosB (35-37 kD); acestea sunt induse la niveluri scăzute de administrarea acută a medicamentului, dar persistă în creier pentru perioade lungi de timp datorită stabilității lor. Graficul inferior arată că, cu administrarea repetată (de exemplu, de două ori pe zi) a medicamentului, fiecare stimul acut induce un nivel scăzut al izoformelor stabile ΔFosB. Acest lucru este indicat de setul inferior de linii suprapuse, care indică ΔFosB indus de fiecare stimul acut. Rezultatul este o creștere treptată a nivelurilor totale de osFosB cu stimuli repetați în timpul unui curs de tratament cronic. Acest lucru este indicat de linia în trepte crescătoare din grafic. (B) CREB. Activarea activității transcripționale CRE, mediată prin fosforilare și activarea CREB și posibil prin inducerea anumitor ATF, are loc rapid și tranzitoriu în nucleul accumbens ca răspuns la administrarea acută a medicamentului. Acest tip de activare „de vârf și minim” persistă prin expunerea cronică la medicamente, nivelurile de transcripție CRE revenind la normal în decurs de 1-2 zile de la retragerea medicamentului.

Răspunsuri foarte diferite sunt observate după administrarea cronică de medicamente de abuz (Fig. 2). Izoformele modificate biochimic ale ΔFosB (Mr 35-37 kD) se acumulează în aceleași regiuni ale creierului după expunerea repetată la medicamente, în timp ce toți membrii familiei Fos prezintă toleranță (adică inducție redusă în comparație cu expunerile inițiale la medicamente).7-9) O astfel de acumulare de ΔFosB a fost observată pentru aproape toate medicamentele de abuz, deși diferite medicamente diferă oarecum în gradul relativ de inducție observat în nucleul accumbens nucleu față de cochilie, striat dorsal și alte regiuni ale creierului.2,6) Cel puțin pentru unele medicamente de abuz, inducerea osFosB pare selectivă pentru subsetul conținut de dinorfină de neuroni medii spini - cei care exprimă predominant receptorii de dopamină D1 - în regiunile striatale. Izoformele de 35-37 kD ale osFosB dimerizează predominant cu JunD pentru a forma un complex AP-1 activ și de lungă durată în aceste regiuni ale creierului,7,10) deși există unele dovezi din in vitro studii care ΔFosB pot forma homodimeri.11) Inducerea medicamentelor de ΔFosB în nucleul accumbens pare să fie un răspuns la proprietățile farmacologice ale medicamentului în sine și nu are legătură cu aportul volitiv de medicamente, deoarece animalele care se auto-administrează cocaină sau primesc injecții cu droguri yugate arată o inducție echivalentă a acestui factor de transcripție în această regiune a creierului.6) În schimb, inducerea osFosB în anumite alte regiuni, de exemplu, cortexul orbitofrontal, necesită administrarea volitivă a medicamentului.12)

Izoformele 35-37 kD ΔFosB se acumulează cu expunere cronică la medicamente datorită timpului de înjumătățire extraordinar de lung.7-13) Ca urmare a stabilității sale, proteina ΔFosB persistă în neuroni cel puțin câteva săptămâni după încetarea expunerii la medicamente. Știm acum că această stabilitate se datorează a doi factori: 1) absența în ΔFosB a două domenii de degron, care sunt prezente la capătul C al lungimii complete FosB și la toate celelalte proteine ​​din familia Fos și vizează acele proteine ​​spre o degradare rapidă și 2) fosforilarea ΔFosB la capătul său N de către cazeina kinază 2 și poate alte proteine ​​kinazei.14-16) Stabilitatea izoformelor ΔFosB oferă un mecanism molecular nou prin care modificările induse de medicamente în expresia genei pot persista în ciuda perioadelor relativ lungi de retragere a medicamentului. Prin urmare, am propus că osFosB funcționează ca un „comutator molecular” susținut care ajută la inițierea și apoi la menținerea unei stări dependente.1,2)

Rolul în dependență

Perspectiva rolului „FosB în dependența de droguri” a provenit în mare parte din studiul șoarecilor bitransgenici în care ΔFosB poate fi indus selectiv în interiorul nucleului accumbens și striatul dorsal al animalelor adulte.17) Important, acești șoareci supraexprimează selectiv osFosB în neuronii spinoși medii care conțin dinorfină, unde se crede că medicamentele induc proteina. M Șoarecii supraexpresivi cu șobolani prezintă răspunsuri locomotorii crescute la cocaină după administrarea acută și cronică.17) De asemenea, acestea arată o sensibilitate sporită la efectele răsplătitoare ale cocainei și morfinei în testele de condiționare a locului,17-19) și auto-administrați doze mai mici de cocaină și lucrați mai mult pentru cocaină, decât literele care nu supraexprimează ΔFosB.20) În plus, supraexpresia ΔFosB din nucleul accumbens exagerează dezvoltarea dependenței fizice opiacee și promovează toleranța analgezică la opiacee.19) În schimb, șoarecii care exprimă ΔFosB sunt normali în mai multe alte domenii comportamentale, inclusiv învățarea spațială, astfel cum este evaluat în labirintul cu apă Morris.17) Direcția specifică a supraexpresiei ΔFosB către nucleul accumbens, prin utilizarea transferului genic mediat viral, a obținut date echivalente.19)

Spre deosebire, direcționarea expresiei ΔFosB către neuronii spinoși medii care conțin enkepahlin în nucleul accumbens și striatul dorsal (cei care exprimă predominant receptorii dopaminei D2) în diferite linii de șoareci bitransgenici nu reușesc să arate majoritatea acestor fenotipuri comportamentale.19) Spre deosebire de supraexprimarea ΔFosB, supraexprimarea unei proteine ​​Jun mutante (ΔcJun sau ΔJunD) - care funcționează ca un antagonist negativ dominant al transcripției mediate de AP1 - prin utilizarea șoarecilor bitransgenici sau a transferului de gene mediat viral, produce efecte comportamentale opuse.18,19,21) Aceste date indică faptul că inducerea osFosB în neuronii spini medii care conțin dinorfină din nucleul accumbens crește sensibilitatea unui animal la cocaină și la alte droguri de abuz și poate reprezenta un mecanism de sensibilizare relativ prelungită la medicamente.

Rolul jucat de inducerea osFosB în alte regiuni ale creierului este mai puțin înțeles. Studii recente au arătat că inducția osFosB în cortexul orbitofrontal mediază toleranța la unele dintre efectele cognitive-perturbatoare ale expunerii acute la cocaină, care ar putea servi la promovarea suplimentară a aportului de medicamente.12,22)

Δ Genele țintă ale FosB

Deoarece osFosB este un factor de transcripție, se produce probabil acest fenotip comportamental interesant în nucleul accumbens prin îmbunătățirea sau reprimarea expresiei altor gene. Folosind șoarecii noștri inductibili, bitransgenici, care supraexprimă ΔFosB sau negativul său dominant ΔcJun, și analizând expresia genică pe cipurile Affymetrix, am demonstrat că - în nucleul accumbens in vivo -ΔFosB funcționează în primul rând ca un activator transcripțional, în timp ce servește ca un represor pentru un subset mai mic de gene.18) Acest studiu a demonstrat, de asemenea, rolul dominant al ΔFosB în medierea efectelor genomice ale cocainei: osFosB este implicat în aproape o pătrime din toate genele influențate de nucleul accumbens de cocaina cronică.

Această abordare la nivelul genomului, împreună cu studiile mai multor gene candidate în paralel, au stabilit mai multe gene țintă ale ΔFosB care contribuie la fenotipul său comportamental. O genă candidată este GluA2, o subunitate a receptorului de glutamat AMPA, care este indus în nucleu accumbens de ΔFosB.17) Întrucât canalele AMPA care conțin GluA2 au o conductanță globală mai mică în comparație cu canalele AMPA care nu conțin această subunitate, reglarea GluA2 mediată de cocaină și ΔFosB în nucleul accumbens ar putea contabiliza, cel puțin în parte, răspunsurile reduse glutamatergice observate în acești neuroni după expunerea cronică la medicamente.23)

O altă genă țintă candidată a ΔFosB din nucleul accumbens este peptida opioidă, dinorfină. Reamintim că ΔFosB pare a fi indus de droguri de abuz în special în celulele producătoare de dinorfină din această regiune a creierului. Drogurile de abuz au efecte complexe asupra expresiei dinorfină, cu creșteri sau scăderi observate în funcție de condițiile de tratament utilizate. Am arătat că inducția de ΔFosB reprimă expresia genei din dinorfină în nucleul accumbens.19) Se consideră că dinorfină activează receptorii κ opioizi pe neuronii dopaminici ai zonei de tegment ventrală (VTA) și inhibă transmiterea dopaminergică și, prin aceasta, reglează mecanismele de recompensare.24,25) Prin urmare, reprimarea osFosB a expresiei dinorfinei ar putea contribui la îmbunătățirea mecanismelor de recompensă mediate de acest factor de transcripție. Acum există dovezi directe care susțin implicarea reprimării genelor dinorfinei în fenotipul comportamental al osFosB.19)

Au fost identificate încă gene țintă suplimentare. ΔFosB reprimă c-Fos genă care ajută la crearea comutatorului molecular - de la inducerea mai multor proteine ​​din familia Fos de scurtă durată după expunerea acută la medicamente până la acumularea predominantă de osFosB după expunerea cronică la medicamente - citată anterior.9) În schimb, kinazele dependente de ciclină-5 (Cdk5) sunt induse în nucleul accumbens de cocaina cronică, un efect pe care l-am arătat este mediat prin ΔFosB.18,21,26) Cdk5 este o țintă importantă a ΔFosB, deoarece expresia sa a fost direct legată de creșterea densității coloanei vertebrice dendritice a nucleului accumbens neuronilor spinării medii,27,28) în nucleul accumbens care sunt asociate cu administrarea cronică de cocaină.29,30) Într-adevăr, inducția osFosB s-a dovedit mai recent atât necesară cât și suficientă pentru creșterea coloanei vertebrice dendritice indusă de cocaină.31)

Mai recent, am folosit imunoprecipitarea cromatinei (ChIP) urmată de cipul promotor (cip ChIP) sau de secvențarea profundă (ChIP-seq) pentru a identifica în continuare genele țintă ale FosB.32) Aceste studii, împreună cu matricile de expresie ADN citate mai devreme, oferă o listă bogată a multor gene suplimentare care pot fi vizate - direct sau indirect - de osFosB. Printre aceste gene se numără receptori de neurotransmițător suplimentari, proteine ​​implicate în funcția pre- și postsinaptică, multe tipuri de canale ionice și proteine ​​de semnalizare intracelulară, proteine ​​care reglează citoscheletul neuronal și creșterea celulară și numeroase proteine ​​care reglează structura cromatinei.18,32) Lucrări suplimentare sunt necesare pentru a confirma fiecare dintre aceste numeroase proteine ​​ca de bună credință ținte ale cocainei care acționează prin ΔFosB și pentru a stabili rolul precis pe care îl are fiecare proteină în medierea aspectelor neuronale și comportamentale complexe ale acțiunii cocainei.

CREB

Proteina de legare a elementului de răspuns AMP ciclic (CREB) este unul dintre cei mai studiați factori de transcriere în neuroștiință și a fost implicată în diverse aspecte ale plasticității neurale.33) Formează homodimeri care se pot lega de gene la elementele de răspuns AMP ciclice (CREs), dar activează în primul rând transcripția după ce a fost fosforilată la Ser133 (de oricare dintre mai multe proteine ​​kinaze), ceea ce permite recrutarea proteinei care leagă CREB (CBP), atunci favorizează transcrierea. Mecanismul prin care activarea CREB reprimă expresia anumitor gene este mai puțin înțeles.

Atât psihostimulanții (cocaină și amfetamină), cât și opiaceele cresc activitatea CREB, acut și cronic - măsurată prin creșterea fosfo-CREB (pCREB) sau a activității genelor raportoare la șoarecii transgenici CRE-LacZ - în mai multe regiuni ale creierului, inclusiv nucleul accumbens și striatul dorsal .34-36) Cursul de timp al acestei activări este foarte diferit de cel afișat de ΔFosB. Așa cum este descris în Fig. 2, Activarea CREB este foarte tranzitorie ca răspuns la administrarea acută a medicamentului și revine la niveluri normale într-o zi sau două după retragere. În plus, activarea CREB are loc atât în ​​subtipurile dinorfină cât și în encefalină ale neuronilor spinoși medii.34) Spre deosebire de cocaină și opiacee, CREB prezintă răspunsuri mai complicate și mai variate la alte medicamente de abuz.4)

Experimentele care implică supraexprimarea inductibilă a CREB sau a unui mutant negativ dominant la șoareci bitransgenici sau cu vectori virali au arătat că activarea CREB - în contrast izbitor cu ΔFosB - în nucleul accumbens scade efectele satisfăcătoare ale cocainei și ale opiaceelor, astfel cum au fost evaluate în condițiile de condiționare teste.37,38) Cu toate acestea, activarea CREB, precum inducerea ΔFosB, promovează autoadministrarea medicamentelor.39) Este important să se valideze efectele cu CREB negativ dominant cu eliminări inductibile ale activității endogene de CREB.39-41) Este interesant faptul că ambii factori de transcripție determină aportul volitiv de medicamente; probabil, ΔFosB face acest lucru prin armătură pozitivă, în timp ce CREB induce acest fenotip prin armătură negativă. Această din urmă posibilitate este în concordanță cu dovezi considerabile că activitatea CREB în această regiune a creierului provoacă o stare emoțională negativă.34,42)

Activitatea CREB a fost direct legată de activitatea funcțională a nucleului accumbens neuronilor spinoși medii. Supraexpresia CREB crește, în timp ce CREB-ul dominant-negativ scade, excitabilitatea electrică a neuronilor spini mijlocii.43) Diferențele posibile dintre neuronii dinorfină și encefalină nu au fost încă explorate. Observația că supraexpresia mediată de viral a unui K+ subunitatea canalului din nucleul accumbens, care scade excitabilitatea neuronilor spinării medii, îmbunătățește răspunsurile locomotorii la cocaină sugerează că CREB acționează ca o ruptură asupra sensibilizării comportamentale la cocaină prin reglarea excitabilității neuronilor.43)

Drogurile de abuz activează CREB în mai multe regiuni ale creierului dincolo de nucleul accumbens. Un exemplu este zona tegmentală ventrală, în care administrarea cronică de cocaină sau opiacee activează CREB în cadrul neuronilor dopaminergici și non-dopaminergici. Acest efect pare să promoveze sau să atenueze răspunsurile satisfăcătoare ale medicamentelor de abuz în funcție de subregiunea zonei tegmentale ventrale afectate.

Numeroase gene țintă pentru CREB au fost identificate, atât prin abordări ale genelor deschise, cât și prin cele ale genelor candidate, care mediază aceste efecte și alte efecte asupra neuronilor accentuate de nucleu mediu și a fenotipului comportamental CREB rezultat.18,32,36) Exemple proeminente includ dinorfina peptidelor opioide,37) care se alimentează și suprimă semnalizarea dopaminergică la nucleul accumbens așa cum s-a spus mai devreme.24,25) De asemenea, sunt implicate anumite subunități ale receptorilor glutamatului, cum ar fi subunitatea GluA1 AMPA și subunitatea GluN2B NMDA, precum și K+ și Na+ Subunități ale canalului ionic, care ar fi de așteptat să controleze excitabilitatea celulară a nucleului accumbens.43,44) BDNF este încă o altă genă țintă pentru CREB în nucleus accumbens și este implicată și în medierea fenotipului comportamental CREB.35) De asemenea, s-a demonstrat că inducerea CREB contribuie la inducerea cocainei de spini dendritici pe neuronii spini medii din nucleul accumbens.45)

CREB este doar una dintre mai multe proteine ​​conexe care leagă CRE și reglează transcrierea genelor țintă. Mai multe produse ale genei modulatorului de răspuns ciclic al AMP (CREM) reglează transcripția mediată de CRE. Unele dintre produse (de exemplu, CREM) sunt activatori transcripționali, în timp ce altele (de exemplu, ICER sau represor AMP ciclic inductibil) funcționează ca antagoniști negativi dominanți endogeni. În plus, mai mulți factori de transcripție activatori (ATF) pot influența expresia genei parțial prin legarea la siturile CRE. Studii recente au implicat acești diferiți factori de transcripție în răspunsurile la medicamente. Amfetamina induce expresia ICER în nucleul accumbens, iar supraexprimarea ICER în această regiune, prin utilizarea transferului de gene mediat viral, crește sensibilitatea unui animal la efectele comportamentale ale medicamentului.46) Acest lucru este în concordanță cu constatările, citate mai sus, că supraexprimarea locală a mutanților CREB negativi dominanți sau eliminarea locală a CREB exercită efecte similare. Amfetamina induce, de asemenea, ATF2, ATF3 și ATF4 în nucleul accumbens, în timp ce ATF1 sau CREM nu se observă niciun efect.47) Supraexpresia ATF2 în această regiune, precum cea a ICER, crește răspunsurile comportamentale la amfetamină, în timp ce supraexpresia ATF3 sau ATF4 are efectul opus. Se cunosc foarte puține despre genele țintă pentru aceste diferite proteine ​​din familia CREB, o direcție importantă pentru cercetările viitoare.

NFkB

Factorul nuclear κB (NFκB), un factor de transcripție care este activat rapid de stimuli diversi, este cel mai bine studiat pentru rolul său în inflamație și răspunsuri imune. S-a dovedit mai recent că este important în plasticitatea și memoria sinaptică.48) NFκB este indus în nucleul obișnuit prin administrarea repetată de cocaină,49,50) unde este necesară pentru inducerea cocainei de spini dendritici ai nucleului accumbens neuroni spini medii. O astfel de inducție a NFκB contribuie la sensibilizarea la efectele satisfăcătoare ale medicamentului.50) Un obiectiv major al cercetărilor actuale este identificarea genelor țintă prin care NFκB provoacă această plasticitate celulară și comportamentală.

Interesant este că inducția de cocaină a NFκB este mediată prin intermediul: osFosB: x Supraexprimarea fososului în nucleul accumbens induce NFκB, în timp ce supraexpresia ΔcJun blochează negativ inducerea cocainei a factorului de transcriere.21,49) Reglarea NFκB de ΔFosB ilustrează cascadele transcripționale complexe implicate în acțiunea medicamentului. De asemenea, NFκB a fost implicat în unele dintre efectele neurotoxice ale metamfetaminei în regiunile striatale.51) Rolul NFκB în spinogeneza neuronilor spinării medii a fost extins recent la modelele de stres și depresie,52) o constatare de o importanță deosebită având în vedere comorbiditatea depresiei și dependenței și fenomenul bine studiat al recidivei provocate de stres la consumul de droguri.

MEF2

2 (MEF2) a fost descoperit pentru rolul său în controlul miogenezei cardiace. Mai rerecent, MEF2 a fost implicat în funcția creierului.53) Izoforme MEF2 multiple sunt exprimate în creier, inclusiv în neuronii accumbens neuroni spinoși medii, unde formează homo- și heterodimeri care pot activa sau reprima transcripția genelor în funcție de natura proteinelor pe care le recrutează. Lucrări recente evidențiază un posibil mecanism prin care cocaina cronică suprimă activitatea MEF2 în nucleul obișnuit parțial printr-o inhibiție a calcineurinului dependentă de receptorul D1-cAMP, un Ca2+-fosfatază proteică dependentă.28) De asemenea, poate fi implicată și reglarea cu Coca Cnk5, care este, de asemenea, o țintă pentru cocaină și ΔFosB, așa cum s-a spus mai devreme. Această reducere a activității MEF2 este necesară pentru inducerea cocainei de coloanele vertebrale dendritice pe neuronii spini mijlocii. Un obiectiv important al activității actuale este identificarea genelor țintă prin MEF2 produce acest efect.

DIRECTII VIITOARE

Factorii de transcriere discutați mai sus sunt doar câțiva dintre mulți care au fost studiați de-a lungul anilor în modele de dependență. Alții implicați în dependență includ receptorii glucocorticoizi, nucleul accumbens factorul de transcripție 1 (NAC1), factorii de răspuns timpuriu de creștere (EGR) și transductori de semnal și activatori de transcripție (STAT).1,2) Ca doar un exemplu, receptorul glucocorticoid este necesar în neuronii dopaminoceptivi pentru căutarea cocainei.54) Scopul cercetărilor viitoare este de a obține o viziune mai completă a factorilor de transcripție induși în nucleul accumbens și în alte regiuni de recompensare a creierului, ca răspuns la expunerea cronică la droguri de abuz și să definească gama de gene țintă pe care o influențează pentru a contribui la fenotipul comportamental. de dependență.

Celălalt obiectiv principal al cercetărilor viitoare este delimitarea etapelor moleculare precise prin care acești diverși factori de transcripție își reglează genele țintă. Astfel, știm acum că factorii de transcripție controlează expresia genelor prin recrutarea la genele lor țintă a unei serii de proteine ​​co-activatoare sau co-represoare care reglează împreună structura cromatinei în jurul genelor și recrutarea ulterioară a complexului ARN polimerază II care catalizează transcriere.4) De exemplu, cercetări recente au demonstrat că capacitatea ΔFosB de a induce gena cdk5 are loc în concordanță cu recrutarea unei gene histone acetiltransferază și a proteinelor de remodelare a cromatinei aferente.55) În schimb, capacitatea ΔFosB de a reprima gena c-Fos apare în concordanță cu recrutarea unei histone deacetilaza și, probabil, a altor proteine ​​represive, cum ar fi o histonă metiltransferază represivă (Fig. 3).2,9,31) Având în vedere că sute de proteine ​​reglatoare ale cromatinei sunt probabil recrutate la o genă în concordanță cu activarea sau represiunea acesteia, această lucrare este doar vârful aisbergului de cantități vaste de informații care trebuie descoperite în anii următori.

Fig. 3    

Mecanisme epigenetice ale acțiunii ΔFosB. Figura ilustrează consecințele foarte diferite atunci când ΔFosB se leagă de o genă pe care o activează (de ex. Cdk5) versus reprimări (de ex. c-Fos). La Cdk5 promotorul (A), ΔFosB recrutează histona ...

Pe măsură ce se înregistrează progrese în identificarea genelor țintă pentru factorii de transcripție reglementate de medicamente, aceste informații vor oferi un șablon din ce în ce mai complet, care poate fi utilizat pentru a ghida eforturile de descoperire a medicamentelor. Se speră că noi tratamente medicamentoase vor fi dezvoltate pe baza acestor progrese dramatice în înțelegerea mecanismelor de transcripție care stau la baza dependenței.

Referinte

1. Nestler EJ. Baza moleculară a plasticității pe termen lung care stă la baza dependenței. Nat Rev Neurosci. 2001;2: 119-128. [PubMed]
2. Nestler EJ. Revizuire. Mecanisme transcripționale ale dependenței: rolul deltei FosB. Philos Trans R. Soc Lond. B Biol Sci. 2008;363: 3245-3255. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
3. Nestler EJ. Neurobiologia neurologică a dependenței. Am J Addict. 2001;10: 201-217. [PubMed]
4. Robison AJ, Nestler EJ. Mecanisme transcripționale și epigenetice ale dependenței. Nat Rev Neurosci. 2011;12: 623-637. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
5. Gene J Morgan, Curran T. Genele imediate-devreme: zece ani în urmă. Tendințe Neurosci. 1995;18: 66-67. [PubMed]
6. Perrotti LI, Weaver RR, Robison B, Renthal W, Maze I, Yazdani S, și colab. Modele distincte de inducere DeltaFosB în creier de droguri de abuz. Synapse. 2008;62: 358-369. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
7. Chen J, Kelz MB, Hope BT, Nakabeppu Y, Nestler EJ. Antigenii anti-Fos cronici: variante stabile de deltaFosB induse în creier prin tratamente cronice. J Neurosci. 1997;17: 4933-4941. [PubMed]
8. Hiroi N, Brown J, Haile C, Ye H, Greenberg ME, Nestler EJ. Șoareci mutanți FosB: pierderea inducției cronice de cocaină a proteinelor legate de Fos și sensibilitate sporită la efectele psihomotorii și recompensante ale cocainei. Proc Natl Acad Sci SUA. 1997;94: 10397-10402. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
9. Renthal W, Carle TL, Maze I, Covington HE, 3rd, Truong HT, Alibhai I, și colab. Delta FosB mediază desensibilizarea epigenetică a genei c-fos după expunerea cronică a amfetaminei. J Neurosci. 2008;28: 7344-7349. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
10. Hiroi N, Marek GJ, Brown JR, Ye H, Saudou F, Vaidya VA, și colab. Rolul esențial al genei fosB în acțiunile moleculare, celulare și comportamentale ale convulsiilor electroconvulsive cronice. J Neurosci. 1998;18: 6952-6962. [PubMed]
11. Jorissen H, Ulery P, Henry L, Gourneni S, Nestler EJ, Rudenko G. Dimerizarea și proprietățile de legare la ADN ale factorului de transcripție DeltaFosB. Biochimie. 2007;46: 8360-8372. [PubMed]
12. Winstanley CA, LaPlant Q, Theobald DEH, Green TA, Bachtell RK, Perrotti LI, și colab. Inducția DeltaFosB în cortexul orbitofrontal mediază toleranța la disfuncția cognitivă indusă de cocaină. J Neurosci. 2007;27: 10497-10507. [PubMed]
13. Alibhai IN, Green TA, Potashkin JA, Nestler EJ. Reglarea expresiei mRNA fosB și DeltafosB: studii in vivo și in vitro. Brain Res. 2007;1143: 22-33. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
14. Ulery PG, Rudenko G, Nestler EJ. Reglarea stabilității DeltaFosB prin fosforilare. J Neurosci. 2006;26: 5131-5142. [PubMed]
15. Ulery-Reynolds PG, Castillo MA, Vialou V, Russo SJ, Nestler EJ. Fosforilarea lui DeltaFosB mediază stabilitatea sa in vivo. Neuroscience. 2009;158: 369-372. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
16. Carle TL, Ohnishi YN, Ohnishi YH, Alibhai IN, Wilkinson MB, Kumar A și colab. Absența domeniului degron C-terminal conservat contribuie la stabilitatea unică a lui FosB. Eur J Neurosci. 2007;25: 3009-3019. [PubMed]
17. Kelz MB, Chen J, Carlezon WA, Jr, Whisler K, Gilden L, Beckmann AM și colab. Exprimarea factorului de transcripție deltaFosB în creier controlează sensibilitatea la cocaină. Natura. 1999;401: 272-276. [PubMed]
18. McClung CA, Nestler EJ. Reglementarea expresiei genelor și a recompensei cocainei de către CREB și DeltaFosB. Nat Neurosci. 2003;6: 1208-1215. [PubMed]
19. Zachariou V, Bolanos CA, Selley DE, Theobald D, Cassidy MP, Kelz MB și colab. DeltaFosB: Un rol esențial pentru DeltaFosB în nucleul accumbens în acțiunea morfină. Nat Neurosci. 2006;9: 205-211. [PubMed]
20. Colby CR, Whisler K, Steffen C, Nestler EJ, Self DW. Supraexpresia specifică de tip celular de tip Striatal a DeltaFosB sporește stimularea cocainei. J Neurosci. 2003;23: 2488-2493. [PubMed]
21. Peakman MC, Colby C, Perrotti LI, Tekumalla P, Carle T, Ulery P, și colab. Expresia inductibilă, specifică regiunii creierului a unui mutant negativ dominant al c-Jun la șoarecii transgenici scade sensibilitatea la cocaină. Brain Res. 2003;970: 73-86. [PubMed]
22. Winstanley CA, Bachtell RK, Theobald DE, Laali S, Green TA, Kumar A, și colab. Impulsivitate crescută în timpul retragerii de la auto-administrare de cocaină: rol pentru DeltaFosB în cortexul orbitofrontal. Cereb Cortex. 2009;19: 435-444. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
23. Kauer JA, Malenka RC. Plasticitate sinaptică și dependență. Nat Rev Neurosci. 2007;8: 844-858. [PubMed]
24. Shippenberg TS, Rea W. Sensibilizarea la efectele comportamentale ale cocainei: modulare de către agoniști ai receptorilor dinorfină și kappa-opioid. Pharmacol Biochem Behav. 1997;57: 449-455. [PubMed]
25. Bruchas MR, Land BB, Chavkin C. Sistemul opioid dinorfină / kappa ca modulator al comportamentelor induse de stres și pro-dependență. Brain Res. 2010;1314: 44-55. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
26. Bibb JA, Chen J, Taylor JR, Svenningsson P, Nishi A, Snyder GL, și colab. Efectele expunerii cronice la cocaină sunt reglate de proteina neuronală Cdk5. Natura. 2001;410: 376-380. [PubMed]
27. Norrholm SD, Bibb JA, Nestler EJ, Ouimet CC, Taylor JR, Greengard P. Proliferarea indusă de cocaină a coloanei dendritice în nucleul accumbens este dependentă de activitatea kinazei dependentă de ciclina-5. Neuroscience. 2003;116: 19-22. [PubMed]
28. Pulipparacharuvil S, Renthal W, Hale CF, Taniguchi M, Xiao G, Kumar A, și colab. Cocaina reglează MEF2 pentru a controla plasticitatea sinaptică și comportamentală. Neuron. 2008;59: 621-633. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
29. Robinson TE, Kolb B. Plasticitate structurală asociată expunerii la medicamente de abuz. Neuropharmacology. 2004;47(Suppl 1): 33-46. [PubMed]
30. Russo SJ, Dietz DM, Dumitriu D, Morrison JH, Malenka RC, Nestler EJ. Sinapsă dependentă: mecanisme de plasticitate sinaptică și structurală în nucleul accumbens. Tendințe Neurosci. 2010;33: 267-276. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
31. Maze I, Covington HE, 3rd, Dietz DM, LaPlant Q, Renthal W, Russo SJ și colab. Rolul esențial al histonei metiltransferazei G9a în plasticitatea indusă de cocaină. Știință. 2010;327: 213-216. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
32. Renthal W, Kumar A, Xiao G, Wilkinson M, Covington HE, 3rd, Maze I, și colab. Analiza pe scară largă a genomului de reglare a cromatinei de cocaină relevă un rol pentru sirtuine. Neuron. 2009;62: 335-348. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
33. Mayr B, Montminy M. Reglarea transcripțională prin factorul CREB dependent de fosforilare. Nat Rev Mol Cell Biol. 2001;2: 599-609. [PubMed]
34. Carlezon WA, Jr, Duman RS, Nestler EJ. Multe fețe ale CREB. Tendințe Neurosci. 2005;28: 436-445. [PubMed]
35. Graham DL, Edwards S, Bachtell RK, DiLeone RJ, Rios M, Self DW. Activitatea dinamică a BDNF în nucleul obișnuit cu consum de cocaină crește autoadministrarea și recidiva. Nat Neurosci. 2007;10: 1029-1037. [PubMed]
36. Briand LA, Blendy JA. Substraturi moleculare și genetice care leagă stresul și dependența. Brain Res. 2010;1314: 219-234. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
37. Carlezon WA, Jr, Thome J, Olson VG, Lane-Ladd SB, Brodkin ES, Hiroi N, și colab. Reglarea recompensei de cocaină de către CREB. Știință. 1998;282: 2272-2275. [PubMed]
38. Barrot M, Olivier JD, Perrotti LI, DiLeone RJ, Berton O, Eisch AJ, și colab. Activitatea CREB din nucleul accumbens controlează închiderea răspunsurilor comportamentale la stimuli emoționali. Proc Natl Acad Sci SUA A. 2002;99: 11435-11440. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
39. Larson EB, Graham DL, Arzaga RR, Buzin N, Webb J, Green TA, și colab. Supraexprimarea CREB în cochilia nucleului accumbens crește întărirea cu cocaină la șobolani care se administrează în mod autonom. J Neurosci. 2011;31: 16447-16457. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
40. Green TA, Alibhai IN, Roybal CN, Winstanley CA, Theobald DE, Birnbaum SG și colab. Îmbogățirea mediului produce un fenotip comportamental mediat de activitatea de legare a elementului de răspuns adenozin monofosfat ciclic scăzut (CREB) în nucleul accumbens. Biol Psihiatrie. 2010;67: 28-35. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
41. Vialou V, Feng J, Robison AJ, Ku SM, Ferguson D, Scobie KN și colab. Factorul de răspuns seric și proteina de legare a elementului de răspuns cAMP sunt ambele necesare pentru inducerea delocaFosB a cocainei. J Neurosci. 2012;32: 7577-7584. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
42. Dinieri JA, Nemeth CL, Parsegian A, Carle T, Gurevich VV, Gurevich E și alții. Sensibilitate modificată la medicamentele recompensatoare și aversive la șoareci cu perturbarea inductibilă a funcției proteice care leagă elementul de răspuns CAMP din nucleul accumbens. J Neurosci. 2009;29: 1855-1859. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
43. Dong Y, Green T, Saal D, Marie H, Neve R, Nestler EJ și colab. CREB modulează excitabilitatea neuronului accumbens neuronilor. Nat Neurosci. 2006;9: 475-477. [PubMed]
44. Huang YH, Lin Y, Brown TE, Han MH, Saal DB, Neve RL, și colab. CREB modulează randamentul funcțional al neuronilor nucleului accumbens: un rol critic al receptorilor N-metil-D-aspartatului de glutamat (NMDAR). J Biol Chem. 2008;283: 2751-2760. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
45. Brown TE, Lee BR, Mu P, Ferguson D, Dietz D, Ohnishi YN și colab. Un mecanism silențios bazat pe sinapsă pentru sensibilizarea locomotorie indusă de cocaină. J Neurosci. 2011;31: 8163-8174. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
46. Green TA, Alibhai IN, Hommel JD, DiLeone RJ, Kumar A, Theobald DE și alții. Inducerea expresiei represive precoce a cAMP în nucleul accumbens prin stres sau amfetamină crește răspunsurile comportamentale la stimuli emoționali. J Neurosci. 2006;26: 8235-8242. [PubMed]
47. Green TA, Alibhai IN, Unterberg S, Neve RL, Ghose S, Tamminga CA și colab. Inducerea factorilor de transcripție activatori (ATF) ATF2, ATF3 și ATF4 în nucleul accumbens și reglarea comportamentului lor emoțional. J Neurosci. 2008;28: 2025-2032. [PubMed]
48. Meffert MK, Baltimore D. Funcții fiziologice pentru NF-kappaB cerebral. Tendințe Neurosci. 2005;28: 37-43. [PubMed]
49. Ang E, Chen J, Zagouras P, Magna H, Holland J, Schaeffer E și colab. Inducerea factorului nuclear-kappaB în nucleul accumbens prin administrarea cronică de cocaină. J Neurochem. 2001;79: 221-224. [PubMed]
50. Russo SJ, Wilkinson MB, Mazei-Robison MS, Dietz DM, Maze I, Krishnan V și colab. Semnalizarea factorului nuclear kappa B reglează morfologia neuronală și recompensarea cocainei. J Neurosci. 2009;29: 3529-3537. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
51. Asanuma M, Cadet JL. Creșterea indusă de metamfetamină a activității de legare a ADN-ului NF-kappaB striatală este atenuată la șoarecii transgenici superoxid dismutaza. Brain Res Mol Brain Res. 1998;60: 305-309. [PubMed]
52. Christoffel DJ, Golden SA, Dumitriu D, Robison AJ, Janssen WG, Ahn HF și colab. Kinasa IκB reglează înfrângerea socială plasticitate sinaptică și comportamentală indusă de stres. J Neurosci. 2011;31: 314-321. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
53. Flavell SW, Kim TK, Gray JM, Harmin DA, Hemberg M, Hong EJ și colab. Analiza pe scară largă a genomului programului transcripțional MEF2 dezvăluie gene țintă sinaptice și selecția site-ului de poliadenilare dependentă de activitatea neuronală. Neuron. 2008;60: 1022-1038. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
54. Ambroggi F, Turiault M, Milet A, Deroche-Gamonet V, Parnaudeau S, Balado E și colab. Stres și dependență: receptorul glucocorticoid din neuronii dopaminoceptivi facilitează căutarea cocainei. Nat Neurosci. 2009;12: 247-249. [PubMed]
55. Kumar A, Choi KH, Renthal W, Tsankova NM, Theobald DE, Truong HT și colab. Remodelarea cromatinei este un mecanism cheie care stă la baza plasticității induse de cocaine în striatum. Neuron. 2005;48: 303-314. [PubMed]