Transkripčné mechanizmy drogovej závislosti (2012)

ÚVOD

Štúdia transkripčných mechanizmov závislosti je založená na hypotéze, že regulácia génovej expresie je jedným z dôležitých mechanizmov, pomocou ktorých chronické vystavenie sa drogám spôsobujúcim dlhodobé zmeny v mozgu, ktoré sú základom abnormalít správania, ktoré definujú stav závislosti.1,2) Dôsledkom tejto hypotézy je, že zmeny vyvolané funkciou niekoľkých neurotransmiterových systémov a v morfológii určitých typov neuronálnych buniek v mozgu, chronickým podávaním liekov, sú čiastočne sprostredkované zmenami v expresii génov.

Samozrejme, že nie všetky liečivo vyvolané neurálne a behaviorálne plasticity sú sprostredkované na úrovni génovej expresie, pretože poznáme rozhodujúce príspevky translačných a posttranslačných modifikácií a prenosu proteínov v javoch závislých od závislosti. Na druhej strane, regulácia génovej expresie je jedným centrálnym mechanizmom a pravdepodobne bude mimoriadne dôležitá pre celoživotné abnormality, ktoré charakterizujú závislosť. Regulácia transkripcie skutočne poskytuje šablónu, na ktorej pôsobia tieto iné mechanizmy.

Práca za posledných ~ 15 rokov priniesla čoraz viac dôkazov o úlohe génovej expresie pri drogovej závislosti, pretože bolo zapletených niekoľko transkripčných faktorov - proteínov, ktoré sa viažu na špecifické prvky odpovedí v promótorových oblastiach cieľových génov a regulujú expresiu týchto génov. v drogovej akcii. Podľa tejto schémy uvedenej v Obr. 1drogy zneužívania, prostredníctvom svojich počiatočných činností na synapse, produkujú zmeny v neurónoch, ktoré signalizujú jadru a regulujú aktivitu mnohých transkripčných faktorov a mnohých ďalších typov transkripčných regulačných proteínov.3) Tieto jadrové zmeny sa postupne a postupne budujú s opakovanou expozíciou liečivom a sú základom stabilných zmien v expresii špecifických cieľových génov, ktoré zase prispievajú k trvalým zmenám nervovej funkcie, ktoré si zachovávajú stav závislosti.1,4)

Táto recenzia sa zameriava na niekoľko transkripčných faktorov, o ktorých sa preukázalo, že hrajú dôležitú úlohu v závislosti. Ďalej sa zameriavame na transkripčné faktory regulované liekmi v obvodoch odmeňovania mozgu, teda na oblasti mozgu, ktoré normálne regulujú odpovede jednotlivca na prirodzené odmeny (napr. Jedlo, sex, sociálna interakcia), ale sú poškodené chronickým vystavením drogám, ktoré spôsobujú závislosť. Tento obvod odmeny mozgu zahrnuje dopaminergné neuróny vo ventrálnej tegmentálnej oblasti stredného mozgu a niekoľko oblastí limbického predného mozgu, ktoré inervujú, okrem iného vrátane nucleus accumbens (ventrálne striatum), prefrontálna kôra, amygdala a hipokampus. Ako bude zrejmé, veľká väčšina doterajšieho výskumu transkripčných mechanizmov závislosti sa sústredila na nucleus accumbens.

ΔFosB

AFosB je kódovaný kódom FosB a zdieľa homológiu s inými faktormi transkripcie Fos rodiny, medzi ktoré patria c-Fos, FosB, Fra1 a Fra2.5) Tieto proteíny rodiny Fos heterodimerizujú s proteínmi rodiny Jun (c-Jun, JunB alebo JunD) za vzniku aktívnych aktivátorových proteínov-1 (AP1) transkripčných faktorov, ktoré sa viažu na miesta AP1 prítomné v promótoroch určitých génov na reguláciu ich transkripcie. Tieto proteíny rodiny Fos sú indukované rýchlo a prechodne v špecifických oblastiach mozgu po akútnom podaní mnohých liekov zneužívania (Obr. 2).2) Tieto reakcie sú najvýraznejšie pozorované v nucleus accumbens a dorzálnom striate, ale tiež pozorované v niekoľkých ďalších oblastiach mozgu.6) Všetky tieto proteíny rodiny Fos sú však vysoko nestabilné a počas niekoľkých hodín po podaní liečiva sa vracajú na základné hodnoty.

Veľmi odlišné reakcie sú pozorované po chronickom podávaní návykových látok (Obr. 2). Biochemicky modifikované izoformy AFosB (M_r 35-37 kD) sa akumuluje v rovnakých oblastiach mozgu po opakovanej expozícii lieku, zatiaľ čo všetci členovia rodiny Fos vykazujú toleranciu (to znamená zníženú indukciu v porovnaní s počiatočnými expozíciami liečivami).7-9) Takáto akumulácia AFosB sa pozorovala prakticky pri všetkých liekoch zneužívania, hoci rôzne lieky sa trochu líšia v relatívnom stupni indukcie pozorovanom v jadre nucleus accumbens vs. shell, dorzálnom striate a iných oblastiach mozgu.2,6) Prinajmenšom pre niektoré zneužívané lieky sa indukcia ΔFosB javí ako selektívna pre podskupinu stredne ostnatých neurónov obsahujúcich dynorfíny - tie, ktoré prevažne exprimujú D1 dopamínové receptory - v striatálnych oblastiach. Izoformy 35-37 kD ΔFosB dimerizujú predovšetkým s JunD, aby vytvorili aktívny a dlhotrvajúci komplex AP-1 v týchto mozgových oblastiach,7,10) hoci existujú určité dôkazy in vitro štúdie, že AFosB môže tvoriť homodiméry.11) Zdá sa, že indukcia liečiva AFosB v nucleus accumbens je odpoveďou na farmakologické vlastnosti liečiva. sama o sebe a nesúvisia s volumetrickým príjmom lieku, pretože zvieratá, ktoré si sami podávajú kokaín alebo dostávajú injekcie vstrekovaných liekov, vykazujú ekvivalentnú indukciu tohto transkripčného faktora v tejto oblasti mozgu.6) Na rozdiel od toho, indukcia AFosB v niektorých ďalších oblastiach, napríklad orbitofrontálna kôra, vyžaduje voliteľné podávanie liečiva.12)

Izoformy 35-37 kD AFosB sa akumulujú s chronickou expozíciou liečiva v dôsledku ich mimoriadne dlhých polčasov.7-13) Výsledkom jeho stability je, že proteín AFosB pretrváva v neurónoch aspoň niekoľko týždňov po ukončení expozície lieku. Teraz vieme, že táto stabilita je spôsobená dvomi faktormi: 1) neprítomnosťou dvoch degronových domén v AFosB, ktoré sú prítomné na C-konci FosB plnej dĺžky a všetkých ostatných proteínoch rodiny Fos a zameriavajú tieto proteíny na rýchlu degradáciu a 2) fosforylácia AFosB na svojom N-konci kazeínkinázou 2 a možno ďalšími proteínkinázami.14-16) Stabilita izoforiem AFosB poskytuje nový molekulárny mechanizmus, ktorým môžu lieky vyvolané zmeny v génovej expresii pretrvávať napriek relatívne dlhému obdobiu odoberania liečiva. Navrhli sme preto, aby ΔFosB fungoval ako trvalý „molekulárny prepínač“, ktorý pomáha iniciovať a potom udržiavať závislý stav.1,2)

CREB

Cyklický AMP väzbový proteín (CREB) je jedným z najštudovanejších transkripčných faktorov v neurológii a bol zapojený do rôznych aspektov neurálnej plasticity.33) Vytvára homodiméry, ktoré sa môžu viazať na gény pri cyklických AMP elementoch reakcie (CRE), ale primárne aktivujú transkripciu potom, čo bola fosforylovaná na Ser133 (niektorou z niekoľkých proteínkináz), čo umožňuje nábor CREB-viažuceho proteínu (CBP), ktorý potom podporuje transkripciu. Mechanizmus, ktorým aktivácia CREB potláča expresiu určitých génov, je menej známy.

Psychostimulanty (kokaín aj amfetamín) a opiáty zvyšujú aktivitu CREB akútne a chronicky - merané zvýšenou aktivitou fosfo-CREB (pCREB) alebo aktivitou reportérového génu u transgénnych myší CRE-LacZ - vo viacerých mozgových oblastiach vrátane nucleus accumbens a dorzálneho striata. .34-36) Časový priebeh tejto aktivácie je veľmi odlišný od priebehu, ktorý prejavuje AFosB. Ako je znázornené v Obr. 2Aktivácia CREB je vysoko prechodná v reakcii na akútne podávanie liečiva a vracia sa na normálne hladiny v priebehu jedného alebo dvoch dní po vysadení. Okrem toho sa aktivácia CREB vyskytuje v podtypoch dynorfínu a enkefalínu stredných ostnatých neurónov.34) Na rozdiel od kokaínu a opiátov, CREB vykazuje zložitejšie a rôznorodejšie reakcie na iné drogy zneužívania.4)

Pokusy zahrnujúce indukovateľnú nadmernú expresiu CREB alebo dominantného negatívneho mutanta u bitransgénnych myší alebo s vírusovými vektormi ukázali, že aktivácia CREB - v nápadnom kontraste s ΔFosB - v nucleus accumbens znižuje prospešné účinky kokaínu a opiátov, ako sa hodnotí pri podmieňovaní miesta testy.37,38) Aktivácia CREB, podobne ako indukcia AFosB, však podporuje samo-podávanie lieku.39) Dôležité je, že účinky s dominantným negatívnym CREB boli overené indukovateľnými knockdownmi endogénnej aktivity CREB.39-41) Zaujímavé je, že obidva transkripčné faktory riadia objemový príjem liekov; pravdepodobne FosB tak robí prostredníctvom pozitívneho zosilnenia, zatiaľ čo CREB indukuje tento fenotyp prostredníctvom negatívneho zosilnenia. Druhá možnosť je v súlade so značnými dôkazmi, že aktivita CREB v tejto oblasti mozgu spôsobuje negatívny emocionálny stav.34,42)

Aktivita CREB bola priamo spojená s funkčnou aktivitou nucleus accumbens stredných ostnatých neurónov. Nadmerná expresia CREB sa zvyšuje, zatiaľ čo dominantne negatívna CREB klesá, elektrická excitabilita stredných ostnatých neurónov.43) Možné rozdiely medzi neurónmi dynorfínu a enkefalínu neboli doteraz preskúmané. Pozorovanie, že vírusom sprostredkovaná nadmerná expresia K⁺ kanálová podjednotka v nucleus accumbens, ktorá znižuje excitabilitu stredných ostnatých neurónov, zvyšuje lokomotorické odozvy na kokaín naznačuje, že CREB pôsobí ako prerušenie senzibilizácie správania na kokaín zvýšením excitability neurónov.43)

Lieky zneužívania aktivujú CREB v niekoľkých oblastiach mozgu za jadrom nucleus accumbens. Jedným príkladom je ventrálna tegmentálna oblasť, kde chronické podávanie kokaínu alebo opiátov aktivuje CREB v rámci dopaminergných a nedepaminergných neurónov. Zdá sa, že tento účinok podporuje alebo zmierňuje odozvy na zneužívanie drog v závislosti od subregiónu postihnutej ventrálnej tegmentálnej oblasti.

Boli identifikované početné cieľové gény pre CREB prostredníctvom otvorených aj kandidátskych génov, ktoré sprostredkovávajú tieto a ďalšie účinky na nucleus accumbens stredné ostnaté neuróny a výsledný behaviorálny fenotyp CREB.18,32,36) Medzi prominentné príklady patrí opioidný peptid dynorfín,37) ktorý sa živí späť a potláča dopaminergnú signalizáciu do nucleus accumbens, ako sa uvádza vyššie.24,25) Zahrnuté sú tiež určité podjednotky glutamátového receptora, ako je GluA1 AMPA podjednotka a GluN2B NMDA podjednotka, ako aj K⁺ a Na⁺ podjednotky iónových kanálov, od ktorých sa očakáva, že budú kontrolovať excitabilitu bunkového jadra.43,44) BDNF je ešte ďalším cieľovým génom pre CREB v nucleus accumbens a je tiež zapojený do sprostredkovania behaviorálneho fenotypu CREB.35) Ukázalo sa tiež, že indukcia CREB prispieva k indukcii dendritických tŕňov kokaínom na stredne ostnatých neurónoch nukleus accumbens.45)

CREB je len jedným z niekoľkých príbuzných proteínov, ktoré sa viažu na CRE a regulujú transkripciu cieľových génov. Niekoľko produktov génu cyklického modulátora elementu odpovede AMP (CREM) reguluje CRE sprostredkovanú transkripciu. Niektoré z produktov (napr. CREM) sú transkripčné aktivátory, zatiaľ čo iné (napr. ICER alebo indukovateľný cyklický represor AMP) fungujú ako endogénni dominantní negatívni antagonisti. Okrem toho niekoľko aktivujúcich transkripčných faktorov (ATF) môže čiastočne ovplyvniť génovú expresiu väzbou na miesta CRE. Posledné štúdie implikujú tieto rôzne transkripčné faktory do odpovedí na lieky. Amfetamín indukuje expresiu ICER v nucleus accumbens a nadmerná expresia ICER v tejto oblasti použitím vírusom sprostredkovaného génového prenosu zvyšuje citlivosť zvieraťa na behaviorálne účinky lieku.46) To je v súlade s vyššie uvedenými zisteniami, že lokálna nadmerná expresia dominantne negatívnych CREB mutantov alebo lokálne knockdown CREB má podobné účinky. Amfetamín tiež indukuje ATF2, ATF3 a ATF4 v nucleus accumbens, zatiaľ čo žiadny účinok nie je pozorovaný pre ATF1 alebo CREM.47) Nadmerná expresia ATF2 v tejto oblasti, podobne ako ICER, zvyšuje behaviorálne reakcie na amfetamín, zatiaľ čo nadmerná expresia ATF3 alebo ATF4 má opačný účinok. Veľmi málo je známe o cieľových génoch pre tieto rôzne proteíny rodiny CREB, čo je dôležitý smer pre budúci výskum.

NFkB

Jadrový faktor-KB (NFKB), transkripčný faktor, ktorý sa rýchlo aktivuje rôznymi stimulmi, sa najlepšie skúma pre svoju úlohu v zápalových a imunitných reakciách. Nedávno sa ukázalo, že je dôležitá v synaptickej plasticite a pamäti.48) NFκB je indukovaný v nucleus accumbens opakovaným podávaním kokaínu,49,50) kde je to potrebné na indukciu kokaínu dendritických tŕňov stredne ostnatých neurónov nucleus accumbens. Takáto indukcia NFKB prispieva k senzibilizácii na prospešné účinky lieku.50) Hlavným cieľom súčasného výskumu je identifikovať cieľové gény, prostredníctvom ktorých NFKB spôsobuje túto bunkovú a behaviorálnu plasticitu.

Je zaujímavé, že indukcia kokaínu NFkB je sprostredkovaná prostredníctvom AFosB: Nadmerná expresia AFosB v nucleus accumbens indukuje NFκB, zatiaľ čo nadmerná expresia dominantného proteínu ACJun blokuje indukciu transkripčného faktora kokaínu.21,49) Regulácia NFKB pomocou AFosB ilustruje komplexné transkripčné kaskády zapojené do účinku lieku. NFKB sa tiež podieľa na niektorých neurotoxických účinkoch metamfetamínu v striatálnych oblastiach.51) Úloha NFKB v spinogenéze stredných ostnatých neurónov sa nedávno rozšírila na modely stresu a depresie,52) nález osobitného významu vzhľadom na komorbiditu depresie a závislosti a dobre študovaný fenomén stresom vyvolaného relapsu k zneužívaniu drog.

MEF2

Faktor-zosilňovač myocytov-2 (MEF2) bol objavený pre jeho úlohu v kontrole srdcovej myogenézy. Ešte častejšie sa MEF2 podieľa na mozgových funkciách.53) Viacnásobné izoformy MEF2 sú exprimované v mozgu, vrátane v jadre accumbens stredných ostnatých neurónov, kde tvoria homo- a heterodiméry, ktoré môžu aktivovať alebo potlačiť transkripciu génu v závislosti od povahy proteínov, ktoré získavajú. Nedávna práca načrtáva možný mechanizmus, ktorým chronický kokaín potláča aktivitu MEF2 v jadre accumbens čiastočne prostredníctvom D1-receptor-cAMP-dependentnej inhibície kalcineurínu, Ca2⁺- závislá proteínová fosfatáza.28) Môže byť tiež zahrnutá regulácia kokaínu Cdk5, ktorá je tiež cieľom kokaínu a AFosB, ako bolo uvedené vyššie. Táto redukcia aktivity MEF2 je potrebná pre indukciu kokaínu dendritických spinov na stredných ostnatých neurónoch. Dôležitým zameraním súčasnej práce je identifikácia cieľových génov prostredníctvom MEF2, ktorý tento efekt vyvoláva.

BUDÚCE SMERNICE

Vyššie uvedené transkripčné faktory sú len niektoré z mnohých, ktoré sa v priebehu rokov skúmali v modeloch závislosti. Medzi ďalšie, ktoré sa podieľajú na závislosti, patrí glukokortikoidný receptor, nukleus accumbens transkripčný faktor 1 (NAC1), faktory včasného rastu (EGR) a signálne prevodníky a aktivátory transkripcie (STAT).1,2) Ako jeden z príkladov je potrebný glukokortikoidový receptor v dopaminoceptívnych neurónoch na vyhľadávanie kokaínu.54) Cieľom budúceho výskumu je získať ucelenejší pohľad na transkripčné faktory indukované v nucleus accumbens a iných oblastiach odmeňovania mozgu v reakcii na chronickú expozíciu drogám zneužívania a definovať rozsah cieľových génov, ktoré ovplyvňujú, aby prispeli k behaviorálnemu fenotypu. závislosti.

Ďalším hlavným cieľom budúceho výskumu je vymedziť presné molekulárne kroky, pomocou ktorých tieto rôzne transkripčné faktory regulujú cieľové gény. Teraz teda vieme, že transkripčné faktory riadia expresiu génov rekrutovaním do svojich cieľových génov radom ko-aktivátorových alebo ko-represorových proteínov, ktoré spoločne regulujú štruktúru chromatínu okolo génov a následný nábor komplexu RNA polymerázy II, ktorý katalyzuje transkripcie.4) Nedávny výskum napríklad ukázal, že schopnosť AFosB indukovať gén cdk5 sa vyskytuje v zhode s náborom histón acetyltransferázy a príbuzných proteínov remodelujúcich chromatín do génu.55) Na rozdiel od toho, schopnosť AFosB potlačiť gén c-Fos sa vyskytuje v zhode s náborom históndeacetylázy a pravdepodobne niekoľkých ďalších represívnych proteínov, ako je napríklad represívna histón metyltransferáza (Obr. 3).2,9,31) Vzhľadom k tomu, že stovky chromatínových regulačných proteínov sú pravdepodobne prijímané do génu v zhode s jeho aktiváciou alebo represiou, táto práca je len špičkou ľadovca obrovského množstva informácií, ktoré je potrebné objaviť v nasledujúcich rokoch.

    

Obr. 3

Epigenetické mechanizmy pôsobenia AFosB. Obrázok ilustruje veľmi odlišné dôsledky, keď sa AFosB viaže na gén, ktorý aktivuje (napr. Cdk5) verzus represie (napr. c-Fos). Na Cdk5 promótor (A), AFosB rekrutuje histón ...

Keďže sa dosiahol pokrok pri identifikácii cieľových génov pre transkripčné faktory regulované liečivom, tieto informácie poskytnú čoraz úplnejší vzor, ​​ktorý sa môže použiť na usmernenie úsilia o objavovanie liečiva. Dúfame, že nové liečebné postupy budú vyvinuté na základe týchto dramatických pokrokov v našom chápaní transkripčných mechanizmov, ktoré sú základom závislosti.

Referencie