Транскрипционные механизмы наркомании (2012)

ВВЕДЕНИЕ

Изучение транскрипционных механизмов зависимости основано на гипотезе о том, что регуляция экспрессии генов является одним из важных механизмов, при которых хроническое воздействие наркотика вызывает долговременные изменения в мозге, которые лежат в основе поведенческих аномалий, которые определяют состояние зависимости.1,2) Следствием этой гипотезы является то, что изменения, вызванные функционированием нескольких нейромедиаторных систем и морфологией некоторых типов нейронных клеток в головном мозге, путем хронического введения лекарств частично опосредуются изменениями экспрессии генов.

Конечно, не вся лекарственная нейронная и поведенческая пластичность опосредуется на уровне экспрессии генов, так как мы знаем о важном вкладе трансляционных и посттрансляционных модификаций и белков в наркомании. С другой стороны, регуляция экспрессии генов является одним из центральных механизмов и, вероятно, будет особенно важна для пожизненных аномалий, характеризующих зависимость. Действительно, регулирование транскрипции обеспечивает шаблон, поверх которого действуют эти другие механизмы.

Работа за последние ~ 15 лет предоставила все больше доказательств роли экспрессии генов в наркомании, поскольку были задействованы несколько факторов транскрипции - белки, которые связываются со специфическими элементами ответа в промоторных областях генов-мишеней и регулируют экспрессию этих генов. в действии препарата. По этой схеме, изображенной на Рис 1, наркотики злоупотребления, посредством их первоначальных действий в синапсе, производят изменения внутри нейронов, которые сигнализируют о ядре и регулируют активность многочисленных факторов транскрипции и многих других типов транскрипционных регуляторных белков.3) Эти ядерные изменения постепенно и постепенно строятся с повторным воздействием лекарств и лежат в основе стабильных изменений в экспрессии специфических генов-мишеней, что, в свою очередь, способствует длительным изменениям в нервной функции, которые поддерживают состояние зависимости.1,4)

В этом обзоре основное внимание уделяется нескольким факторам транскрипции, которые, как было показано, играют важную роль в развитии зависимости. Далее мы сосредоточимся на регулируемых лекарствами факторах транскрипции в цепи вознаграждения мозга, областях мозга, которые обычно регулируют реакцию человека на естественные награды (например, пищу, секс, социальное взаимодействие), но которые искажаются хроническим воздействием наркотиков, вызывая зависимость. Эта схема вознаграждения мозга включает дофаминергические нейроны в вентральной тегментальной области среднего мозга и несколько иннервируемых ими областей лимбического переднего мозга, включая прилежащее ядро ​​(вентральное полосатое тело), ​​префронтальную кору, миндалевидное тело и гиппокамп, среди прочего. Как будет видно, подавляющее большинство исследований транскрипционных механизмов зависимости на сегодняшний день сосредоточено на прилежащем ядре.

ΔFosB

ΔFosB кодируется FosB ген и гомологии с другими факторами транскрипции семейства Fos, которые включают c-Fos, FosB, Fra1 и Fra2.5) Эти белки семейства Fos гетеродимеризуются с белками семейства Jun (c-Jun, JunB или JunD) для формирования транскрипционных факторов активного активатора-белка 1 (AP1), которые связываются с сайтами AP1, присутствующими в промоторах определенных генов, для регулирования их транскрипции. Эти белки семейства Fos вызываются быстро и временно в определенных областях мозга после острого введения многих наркотических средств (Рис 2).2) Эти ответы видны наиболее заметно в прилежащих ядрах и дорсальном полосатом теле, но также наблюдаются в нескольких других областях мозга.6) Однако все эти белки семейства Fos очень нестабильны и возвращаются к базальным уровням в течение нескольких часов после введения препарата.

Очень разные ответы наблюдаются после хронического приема наркотических средств (Рис 2). Биохимически модифицированные изоформы ΔFosB (M_r 35-37 kD) накапливаются в одних и тех же областях мозга после повторного воздействия препарата, тогда как все члены семейства Fos проявляют толерантность (то есть уменьшают индукцию по сравнению с начальным воздействием наркотиков).7–9) Такое накопление ΔFosB наблюдалось практически для всех наркотических средств, хотя разные препараты несколько отличаются друг от друга в относительной степени индукции, наблюдаемой в ядре accumbens core против оболочки, дорсальной полосатой и других областях мозга.2,6) По крайней мере, для некоторых наркотиков, вызывающих злоупотребление, индукция ΔFosB оказывается избирательной для динорфинсодержащего подмножества нейронов со средними шипами - тех, которые преимущественно экспрессируют дофаминовые рецепторы D1 - в полосатом теле. Изоформы ΔFosB с массой 35-37 кДа димеризуются преимущественно с JunD с образованием активного и долговременного комплекса AP-1 в этих областях мозга,7,10) хотя есть некоторые свидетельства из в пробирке что ΔFosB может образовывать гомодимеры.11) Наркотическая индукция ΔFosB в ядре accumbens, по-видимому, является ответом на фармакологические свойства препарата сам по себе и не связаны с волевым потреблением наркотиков, поскольку животные, которые самостоятельно вводят кокаин или получают инъекции в виде инъекционных наркотиков, показывают эквивалентную индукцию этого транскрипционного фактора в этой области мозга.6) Напротив, индукция ΔFosB в некоторых других регионах, например, орбитофронтальной коре, требует волевого введения лекарственного средства.12)

Изоформы 35-37 kD ΔFosB накапливаются с хроническим воздействием лекарств из-за их чрезвычайно длительных периодов полураспада.7–13) В результате его стабильности белок ΔFosB сохраняется в нейронах в течение по меньшей мере нескольких недель после прекращения воздействия препарата. Теперь мы знаем, что эта стабильность обусловлена ​​двумя факторами: 1) отсутствием в ΔFosB двух доменов догара, которые присутствуют на С-конце полной длины FosB и всех других белков семейства Fos и нацеливают эти белки на быстрое разрушение и 2) фосфорилирование ΔFosB на его N-конце казеиновой киназой 2 и, возможно, другими протеинкиназами.14–16) Стабильность изоформ ΔFosB обеспечивает новый молекулярный механизм, с помощью которого изменения экспрессии генов, вызванные лекарственными средствами, могут сохраняться, несмотря на относительно длительные периоды отмены лекарств. Поэтому мы предположили, что ΔFosB функционирует как устойчивый «молекулярный переключатель», который помогает инициировать, а затем поддерживать состояние зависимости.1,2)

CREB

Cyclic AMP-связывающий белок (CREB) является одним из наиболее изученных факторов транскрипции в нейронауке и был вовлечен в различные аспекты нервной пластичности.33) Он образует гомодимеры, которые могут связываться с генами при циклических АМП-ответах (CREs), но в основном активирует транскрипцию после того, как она была фосфорилирована в Ser133 (любой из нескольких протеинкиназ), что позволяет рекрутировать CREB-связывающий белок (CBP), который затем способствует транскрипции. Механизм, посредством которого активация CREB подавляет экспрессию определенных генов, менее понятна.

Как психостимуляторы (кокаин и амфетамин), так и опиаты увеличивают активность CREB, резко и хронически - что измеряется по увеличению активности фосфо-CREB (pCREB) или репортерного гена у трансгенных мышей CRE-LacZ - во многих областях мозга, включая прилежащее ядро ​​и дорсальное полосатое тело. .34–36) Временной ход этой активации сильно отличается от времени, проявляемого ΔFosB. Как показано в Рис 2, Активация CREB очень преходяща в ответ на острое введение лекарственного средства и возвращается к нормальным уровням в течение дня или двух после отмены. Кроме того, активация CREB происходит как в подтипах динорфина, так и энкефалина средних колючих нейронов.34) В отличие от кокаина и опиатов, CREB показывает более сложные и разнообразные ответы на другие наркотики злоупотребления.4)

Эксперименты, включающие индуцибельную сверхэкспрессию CREB или доминантно-отрицательного мутанта на битрансгенных мышах или с вирусными векторами, показали, что активация CREB - в разительном контрасте с ΔFosB - в прилежащем ядре снижает полезные эффекты кокаина и опиатов, оцениваемые при кондиционировании места. анализы.37,38) Тем не менее, активация CREB, например индукция ΔFosB, способствует самолечению препарата.39) Важно отметить, что эффекты с доминантным отрицательным CREB были подтверждены с индуцибельными нокдаунами эндогенной активности CREB.39–41) Интересно, что оба фактора транскрипции стимулируют волевое употребление наркотиков; предположительно ΔFosB делает это через положительное усиление, тогда как CREB индуцирует этот фенотип посредством отрицательного усиления. Последняя возможность согласуется с значительными доказательствами того, что активность CREB в этом мозговом регионе вызывает негативное эмоциональное состояние.34,42)

Активность CREB напрямую связана с функциональной активностью средних колючих нейронов ядра. Повышенная экспрессия CREB возрастает, тогда как доминантно-отрицательный CREB уменьшается, электрическая возбудимость средних колючих нейронов.43) Возможные различия между нейронами dynorphin и enkephalin еще не изучены. Наблюдение, что вирусная гиперэкспрессия K⁺ -канал в прилежащем ядре, что уменьшает медиальные шиповатые нейроны возбудимости, усиливает реакцию опорно-двигательного аппарат, чтобы предположить, что кокаин действует как CREB перерыва на поведенческой сенсибилизации к кокаину пути повышающей регуляции нейронов возбудимости.43)

Препараты злоупотребления активируют CREB в нескольких областях мозга за пределами ядра. Одним из примеров является брюшная тегментальная область, где хроническое введение кокаина или опиатов активирует CREB в дофаминергических и не допаминергических нейронах. Этот эффект, по-видимому, способствует или ослабляет полезную реакцию наркотических средств в зависимости от субрегиона затронутой вентральной области.

Было идентифицировано множество генов-мишеней для CREB с использованием как открытых, так и потенциальных генных подходов, которые опосредуют эти и другие эффекты на ядрах сопутствующих нейронов ядра и полученный поведенческий фенотип CREB.18,32,36) Известные примеры включают опиоидный пептидный динорфин,37) который подает назад и подавляет дофаминергическую сигнализацию на ядре accumbens, как указано ранее.24,25) Также участвуют определенные субъединицы глутаматного рецептора, такие как субъединица GluA1 AMPA и субъединица NMDA GluN2B, а также K⁺ и Na⁺ ионных канальных субъединиц, которые, как ожидается, будут контролировать ядро-поглощающую клеточную возбудимость.43,44) BDNF является еще одним геном-мишенью для CREB в ядре accumbens, и он также участвует в опосредовании поведенческого фенотипа CREB.35) Также было показано, что индукция CREB способствует индукции кокаином дендритных шипов на средних шиповатых нейронах прилежащего ядра.45)

CREB - лишь один из нескольких родственных белков, которые связывают CRE и регулируют транскрипцию генов-мишеней. Некоторые продукты гена модулятора циклического AMP-ответного элемента (CREM) регулируют CRE-опосредованную транскрипцию. Некоторые из продуктов (например, CREM) являются активаторами транскрипции, тогда как другие (например, ICER или индуцибельный репрессор циклического AMP) действуют как эндогенные доминантно-отрицательные антагонисты. Кроме того, несколько активирующих факторов транскрипции (ATF) могут частично влиять на экспрессию генов путем связывания с сайтами CRE. Недавние исследования показали, что эти различные факторы транскрипции влияют на реакцию на лекарства. Амфетамин индуцирует экспрессию ICER в прилежащем ядре, а сверхэкспрессия ICER в этой области за счет вирусно-опосредованного переноса генов увеличивает чувствительность животного к поведенческим эффектам препарата.46) Это согласуется с выводами, процитированными выше, что локальная избыточная экспрессия доминантных отрицательных мутантов CREB или локального нокдауна CREB оказывает сходные эффекты. Амфетамин также индуцирует ATF2, ATF3 и ATF4 в ядре accumbens, в то время как эффект ATF1 или CREM не наблюдается.47) Сверхэкспрессия ATF2 в этом регионе, как и ICER, увеличивает поведенческие реакции на амфетамин, тогда как избыточная экспрессия ATF3 или ATF4 имеет противоположный эффект. Очень мало известно о генах-мишенях для этих различных белков семейства CREB, что является важным направлением для будущих исследований.

NF-kB

Ядерный фактор-κB (NFκB), фактор транскрипции, который быстро активируется различными стимулами, лучше всего изучается для его роли в воспалении и иммунных реакциях. В последнее время было показано, что это важно в синаптической пластичности и памяти.48) NFκB индуцируется в ядре accumbens путем повторного введения кокаина,49,50) где он необходим для индукции кокаином дендритных шипов нейронов среднего ядра прилежащего ядра. Такая индукция NFκB способствует повышению чувствительности к положительным эффектам препарата.50) Основная цель текущих исследований - выявить целевые гены, через которые NFκB вызывает эту клеточную и поведенческую пластичность.

Интересно, что индукция кокаина NFκB опосредуется через ΔFosB: избыточная экспрессия ΔFosB в ядре accumbens индуцирует NFκB, тогда как избыточная экспрессия ΔcJun-доминантного отрицательного блока индуцирует кокаин-фактор транскрипции.21,49) Регулирование NFκB по ΔFosB иллюстрирует сложные транскрипционные каскады, участвующие в действии препарата. Кроме того, NFκB участвует в некоторых нейротоксических эффектах метамфетамина в полосатых регионах.51) Роль NFκB в спиногенезе среднего спинного нейрона недавно была распространена на модели стресса и депрессии,52) нахождение особой важности с учетом сопутствующей депрессии и наркомании, а также хорошо изученное явление вызванного стрессом рецидива злоупотребления наркотиками.

MEF2

Усиление фактора миоцитов-2 (MEF2) было обнаружено за его роль в контроле сердечного миогенеза. Более редко, MEF2 был вовлечен в функцию мозга.53) Множественные изоформы MEF2 экспрессируются в мозге, в том числе в ядрах, окружающих средние колючие нейроны, где они образуют гомо- и гетеродимеры, которые могут активировать или подавлять транскрипцию гена в зависимости от природы белков, которые они набирают. Недавняя работа описывает возможный механизм, с помощью которого хронический кокаин подавляет активность MEF2 в ядре, частично поглощаясь зависимым от рецептора D1-цАМФ ингибитором кальцинейрина, Ca2⁺-зависимая белковая фосфатаза.28) Также может быть задействована регуляция кокаина Cdk5, которая также является мишенью для кокаина и ΔFosB, как указано ранее. Это сокращение активности MEF2 требуется для индукции кокаина дендритных шипов на средних колючих нейронах. Важным направлением текущей работы является определение целевых генов с помощью MEF2.

БУДУЩИЕ НАПРАВЛЕНИЯ

Факторы транскрипции, рассмотренные выше, являются лишь некоторыми из многих, которые были изучены на протяжении многих лет в моделях зависимости. Другие, вовлеченные в наркоманию, включают рецептор глюкокортикоидов, фактор транскрипции 1 (NAC1), ранние факторы ответа на рост (EGR) и сигнальные преобразователи и активаторы транскрипции (STAT).1,2) Как только один пример, глюкокортикоидный рецептор необходим в допаминоцептивных нейронах для поиска кокаина.54) Целью будущих исследований является получение более полного представления о факторах транскрипции, индуцированных в ядре accumbens и других областях награды мозга в ответ на хроническое воздействие наркотических средств, и определить диапазон целевых генов, которые они влияют, чтобы внести свой вклад в поведенческий фенотип наркомании.

Другой важной целью будущих исследований является определение точных молекулярных этапов, с помощью которых эти различные факторы транскрипции регулируют их целевые гены. Таким образом, теперь мы знаем, что факторы транскрипции контролируют экспрессию генов путем рекрутирования в их целевые гены серии соактиваторов или со-репрессорных белков, которые вместе регулируют структуру хроматина вокруг генов и последующую рекрутку комплекса РНК-полимеразы II, который катализирует транскрипции.4) Например, недавние исследования показали, что способность ΔFosB индуцировать ген cdk5 происходит в согласии с рекрутированием гистоновой ацетилтрансферазы и связанных с ней белков ремоделирования хроматина в ген.55) Напротив, способность ΔFosB подавлять ген c-Fos происходит в сочетании с рекрутированием гистондезацетилазы и, предположительно, несколькими другими репрессивными белками, такими как репрессивная гистоновая метилтрансфераза (Рис 3).2,9,31) Учитывая, что сотни регуляторных белков хроматина, скорее всего, набираются на ген в сочетании с его активацией или репрессией, эта работа является лишь верхушкой айсберга огромного объема информации, которая должна быть обнаружена в предстоящие годы.

    

Рис 3

Эпигенетические механизмы действия ΔFosB. На рисунке показаны очень разные последствия, когда ΔFosB связывается с геном, который он активирует (например, Cdk5) против репрессов (например, с-Фос). На Cdk5 промотор (A), ΔFosB рекрутирует гистон ...

Поскольку прогресс в определении целевых генов для факторов транскрипции, регулируемых лекарственными средствами, эта информация будет предоставлять все более полный шаблон, который можно использовать для руководства усилиями по обнаружению наркотиков. Следует надеяться, что новые медикаментозные процедуры будут разработаны на основе этих значительных успехов в нашем понимании механизмов транскрипции, которые лежат в основе зависимости.

Рекомендации