Stres a závislosť: príspevok systému faktoru uvoľňujúceho kortikotropín (CRF) v neuroplasticite (2012)

Systém faktora uvoľňujúceho kortikotropín (CRF)

Ukázalo sa, že CRF, známy tiež ako hormón uvoľňujúci kortikotropín (CRH), spôsobuje rôzne zmeny správania súvisiace s adaptáciou na stres. Dysregulácia systému CRF v ktoromkoľvek bode môže viesť k rôznym psychiatrickým poruchám, ako sú depresia, obsedantno-kompulzívna porucha, posttraumatická stresová porucha a SUD.s (Cole a kol., 1990; Sarnyai a kol., 1992, 2001; Cador a kol., 1993; Koob a Kreek, 2007; Koob a Le Moal, 2008). Ukázalo sa, že stres vyvolaný footshockami je účinný pri indukovaní opätovného zavedenia alkoholu (Le et al., 1998, 2000; Gass a Olive, 2007; Richards a kol., 2008), nikotín (Buczek a kol., 1999), kokaín (Erb a kol., 1996), opiáty a psycostimulanty (Lu a kol., 2003) a heroín (Shaham a kol., 1997) hľadať. Konkrétne CRF sa spája s obnovením liečiva (Shaham et al., 1997; Le a kol., 2002; Liu a Weiss, 2002; Funk a kol., 2006). Ukázalo sa tiež, že CRF spôsobuje abstinenčné správanie počas sťahovania z chronického etanolu (Baldwin a kol., 1991; Overstreet a kol., 2004) a môže byť zodpovedný za pretrvávajúcu zraniteľnosť a prípadný relaps.

Systém CRF sa skladá zo štyroch ligandov: CRF, urokortín (UCN) (Vaughan a kol., 1995) 1, 2 a 3, dva receptory spojené s G-proteínom (GPCR), CRF-receptor 1 (CRF-R1) a CRF-receptor 2 (CRF-R2), ako aj sekretovaný proteín viažuci CRF (CRF- BP); pozri tabuľku Table11 a (Bale a Vale, 2004) na preskúmanie systému CRF.

Pôvodne bol identifikovaný ako hypotalamický faktor zodpovedný za stimuláciu sekrécie adrenokortikotropného hormónu (ACTH) z prednej hypofýzy (Guillemin a Rosenberg, 1955; Saffran a kol., 1955) kde stimuluje syntézu a sekréciu glukokortikoidov z kôry nadobličiek (Turnbull a Rivier, 1997). Jeho názov bol založený tridsať rokov pred jeho biochemickou identifikáciou v 1980. rokoch (Vale et al., 1981), zatiaľ čo jeho identifikátorom génu v Národnom centre pre biotechnologické informácie (NCBI) je CRH. Je to peptid 4.7-kilo-Dalton (kDa) a pozostáva z zvyškov aminokyselín 41. Neurosekrečné neuróny paraventrikulárneho jadra (PVN) hypotalamu syntetizujú CRF (Meloni et al., 2005). CRF sa potom uvoľňuje do aferentných portálnych krvných ciev do prednej hypofýzy kde indukuje uvoľňovanie ACTH v systémovom obehu, Os hypotalamus-hypofýza-nadobličky (HPA) je regulovaná negatívnou spätnou väzbou od glukokortikoidov, ktoré aktivujú glukokortikoidové receptory špecificky vo PVN a hippocampe. CRF je tiež vyjadrená mimo osi HPA na riadenie autonómnych a behaviorálnych reakcií na stresory (Palkovits a kol., 1983; Swanson a kol., 1983) vrátane opätovného vyvolania vyhľadávania liekov vyvolaného stresom.

CRF sprostredkuje fyziologické stresové reakcie aktiváciou CRF-R1 a CRF-R2, ktoré sú distribuované po periférii a mozgu. (De Souza, 1995; Bale a Vale, 2004). Predpokladá sa, že väzba CRF na CRF-R je dvojkrokový mechanizmus. N-koniec receptora sa pôvodne viaže na C-koniec CRF, ktorý iniciuje preskupenie receptora (Grace a kol., 2007). N-terminál CRF kontaktuje ďalšie miesta na receptore, aby inicioval bunkovú signalizáciu (Vale a kol., 1981; Rivier a kol., 1984) a následne aktivovať G-proteín (Nielsen a kol., 2000; Grace a kol., 2004; Rijkers a kol., 2004; Yamada a kol., 2004; Hoare, 2005). Systém CRF obsahuje ďalšie peptidy so štrukturálnou homológiou s CRF. UCN 1 vykazuje 45% sekvenčnú identitu s CRF a viaže sa s vysokou afinitou na oba podtypy receptorov CRF (Perrin et al., 1995), zatiaľ čo CRF sa viaže s najvyššou afinitou na CRF-R1 (Vaughan et al., 1995; Burnett, 2005). UCN 2, tiež známy ako peptid súvisiaci so streskopínom, a UCN 3, tiež známy ako streskopín, sa špecificky viažu na CRF-R2 (Hsu a Hsueh, 2001; Lewis a kol., 2001; Reyes a kol., 2001).

CRF-R1 má aminokyselinové zvyšky 415 a je exprimovaný na periférii a v CNS (Chang et al., 1993; Chen a kol., 1993; Vita a kol., 1993; Potter a kol., 1994; Tsai-Morris a kol., 1996; Sanchez a kol., 1999; Van Pett a kol., 2000). Chronický stres sprostredkovaný aktiváciou CRF-R1 prostredníctvom CRF sa spája s rozvojom úzkostných porúch. (Arborelius a kol., 1999); Ukázalo sa, že antagonisty CRF-R1 znižujú úzkostné správanie (Funk et al., 2007). Transgénne myši s deléciou CRF-R1 (CRO-R1 knock-out (KO) myši) majú zníženú reakciu na stres a úzkosť, pre komplexný prehľad pozri (Bale a Vale, 2004). Tento anxiolytický účinok však možno pripísať zníženiu cirkulujúcich glukokortikoidov v predklinických modeloch (Tronche a kol., 1999). Bola vytvorená podmienená myšacia línia KO na rozlíšenie správania od signálnych dráh CRF-R1 sprostredkovaných neuroendokrinnými CRF. Selektívna inaktivácia limbických štruktúr, ale nie systému HPA, ukázala, že CRF-R1 moduluje správanie podobné úzkosti a je nezávislé od HPA (Muller a kol., 2003). Okrem toho sa predpokladá, že CRF-R1 zvyšuje náchylnosť na správanie pri recidíve alkoholu (Hansson a kol., 2006; Heilig a Koob, 2007). Nedávna štúdia hodnotila úlohu CRF vo vnútri aj mimo HPA ukázala, že CRF prostredníctvom signalizácie CRF-R1 môže mať opačné účinky na spotrebu alkoholu v súvislosti so stresom (Molander et al., 2012).

CRF-R2 má tri varianty: a, P a y. A je zložený z aminokyselinových zvyškov 411 a p je zložený z aminokyselinových zvyškov 413-418. Obidve sa nachádzajú v mozgu a na periférii; CRF-R2p sa však vyskytuje prevažne v srdci a vaskulatúre (Lovenberg et al., 1995,b; Kimura a kol., 2002; Burnett, 2005). Variant y je menší peptid obsahujúci iba zvyšky aminokyselín 397 a nachádza sa iba v ľudskom mozgu (Kostich et al., 1998). Presná úloha CRF-R2 pri regulácii stresovej reakcie je predmetom intenzívneho vyšetrovania. Štúdie genetického myšieho modelu s deléciou CRF-R2 (myši CRF-R2 KO) preukázali, že aktivácia CRF-R2 CRF môže viesť buď k zvýšenej alebo zníženej reakcii na stresory (Bale a kol., 2000, 2002; Coste a kol., 2000; Kishimoto a kol., 2000).

Nedostatok špecifických antisér, ktoré podporujú imunohistochemické experimenty a nízke rozlíšenie prístupov viazania ligandu, obmedzili štúdie na objasnenie distribúcie CRF-R a na obmedzenie analýzy na úrovni mRNA. Na prekonanie tejto prekážky bola úspešne generovaná transgénna myš, ktorá hlási expresiu CRF-R1 so zeleným fluorescenčným proteínom (GFP), čo poskytuje nový nástroj na skúmanie úlohy signalizácie CRF-R1 pri adaptácii stresu (Justice et al., 2008).

CRF-BP je vo vode rozpustný proteín 37 kD a pozostáva z aminokyselinových zvyškov 322 (Bale a Vale, 2004). Je to sekretovaný glykoproteín, ktorý sa účinne ukladá do sekrečných granúl a exocytózou sa uvoľňuje do extracelulárneho priestoru (Blanco a kol., 2011). Obsahuje oligosacharidy aspargínového typu N-viazaného typu, ktoré sú rozhodujúce pre väzbu CRF-BP na CRF (Suda a kol., 1989). Predchádzajúce pokusy identifikovať inhibítory CRF-BP s malými molekulami priniesli obmedzený úspech čiastočne vďaka vysokej afinite (pikomolárne) väzby CRF na CRF-BP (Behan et al., 1995) a tiež preto, že CRF-BP plná dĺžka (FL) je náchylná na autokatalytickú proteolýzu (Woods et al., 1999). Spontánne proteolytické štiepenie poskytuje väčší N-terminálny fragment 27 kD, CRF-BP (27 kD), ktorý si zachováva väzobné miesto pre CRF a menší, 9.6 kD C-terminálny fragment, CRF-BP (10 kD) (Woods a kol., 1999) bez zjavnej fyziologickej alebo patologickej úlohy. Jedinečné miesto štiepenia v CRF-BP (FL) bolo identifikované medzi aminokyselinovými zvyškami serínu 234 a alanínom 235. Vytvorenie dvoch fragmentov veľmi sťažilo úspešné čistenie dostatočného množstva CRF-BP (FL) na štúdium fyziologických vlastností natívneho proteínu. CRF-BP je distribuovaný v plazme, plodovej vode a synoviálnej tekutine, placente, hypofýze, pečeni a vo viacerých odlišných oblastiach mozgu, vrátane mozgovej kôry, hippocampu (Behan et al., 1995), amygdala (Herringa a kol., 2004) a VTA (Wang a Morales, 2008). Na periférii cirkulujúci CRF-BP neutralizuje fyziologické účinky CRF (Kemp et al., 1998). Vzhľadom na vysokú afinitu k CRF sa predpokladá, že CRF-BP hrá tlmivú úlohu znížením množstva voľného CRF. V mozgu je však CRF-BP väčšinou viazaný na membránu a je exprimovaný v rôznych množstvách v neurónoch a neurogliálnych bunkách (Behan et al., 1995b). V rámci neuronálnych buniek nedávne objavy preukázali, že diskrétne subpopulácie dopamínergických neurónov a neurónov kyseliny y-aminomaslovej (GABAergické) exprimujú CRF-BP (Wang a Morales, 2008). Fyziologická úloha CRF-BP v centrálnom nervovom systéme (CNS) je stále nejasná. Teórie navyše naznačujú možnosť, že CRF-BP môže pomôcť pri odstraňovaní CRF z tela a môže tiež chrániť CRF pred degradáciou (Seasholtz et al., 2002). Štúdie genetického myšieho modelu s deléciou CRF-BP (myši CRF-BP KO) ukázali, že došlo k zvýšeniu úzkostného správania (Karolyi et al., 1999). Elektrofyziologické štúdie preukázali, že signály CRF prostredníctvom CRF-R2 zosilňujú N-metyl-D-aspartát (NMDA) sprostredkované excitačné postsynaptické prúdy (EPSC) vo VTA (Ungless et al., 2003). Ďalej, použitím CRF (6-33), peptidu, ktorý konkuruje CRF vo väzbovom mieste CRF-BP, ale neviaže sa na CRF-R2, sa ukázalo, že blokuje CRF-indukovanú potenciáciu EPSM sprostredkovaných NMDAR (Ungless) a kol., 2003). Celkovo tieto výsledky naznačujú, že CRF-BP má rozmanitú úlohu pri modulácii systému CRF. Ako je opísané v in vitro a in vivo štúdie, ktoré prečistili ľudský CRF-BP (FL) v dostatočnom množstve na vyšetrenie, doteraz neboli úspešné (Woods et al. 1997). Nie sú k dispozícii žiadne výskumné nástroje, ktoré by charakterizovali úlohu CRF-BP v CNS expresiou CRF-BP na povrchu bunky. Preto nebolo možné určiť, či sa CRF-BP špecificky podieľa na signalizácii CRF-R2. Zhrnutie zapojenia väzby CRF do návykového správania je opísané v tabuľke č Table22.

Bunkové zapojenie CRF do amygdaly

Verí sa, že amygdala je kľúčovou oblasťou mozgu pre emocionálnu reakciu a je rozhodujúca pre poskytnutie emocionálneho významu senzorickým informáciám (Adolphs et al., 1994; Ledoux, 2003; Phelps a LeDoux, 2005). Negatívne afektívne reakcie boli študované v špecifických jadrách amygdaly štúdiom podmienenej reakcie na strach (Davis, 1992,b). Amygdala je široko prepojená s inými limbickými regiónmi, kde sa podieľa na integrácii senzorických a kognitívnych informácií (LeDoux, 1992, 1993). Experimentálne dôkazy silne naznačujú, že drogy zneužívania pôsobia na tento systém a môžu modifikovať synaptické udalosti, najmä počas sťahovania, Aj keď je VTA spojená s posilňujúcimi účinkami etanolu (Gatto a kol., 1994) bola aktivácia systému GABAergic spojená s anxiolytickým účinkom alkoholu (Frye a Breese, 1982). Okrem odmeňovacích obvodov škrupiny NAcc a mozgových oblastí aktivovaných farmakologickým stresorom, ako sú yohimbín a footshock, sa zistilo, že sú špecifické v jadre bazolaterálu a centrálneho amygdalaru a v jadre lôžka stria terminalis (BNST). (Funk a kol., 2006). Predklinické štúdie preukázali, že expozícia a stiahnutie z etanolu indukuje funkčné a biochemické zmeny v amygdale potkanov, čo dokazuje, že tento obvod je zapojený do dlhodobého zvýšenia podobného správania po chronickej expozícii etanolu (Christian et al., 2012).

Amygdala sprostredkuje podmienené a nepodmienené reakcie na averzívne stimuly (Davis a Whalen, 2001) a bolo skúmané pomocou Pavlovianovej úpravy strachu spárovaním podmieneného stimulu s averzívnym nepodmieneným stimulom. Opätovné vystavenie nepodmieneného stimulu vyvoláva podmienenú reakciu na strach odvodenú od asociovaného podmieneného bezpodmienečného spojenia (Pitts a kol., 2009). Asociačný signál sa uskutočňuje v bazolaterálnom amygdale (BLA) a potom sa prenáša do centrálneho jadra amygdaly (CeA) (McDonald, 1998; Maren, 1999; Davis a Shi, 2000; Pitkanen a kol., 2000; Pare a kol., 2004). Tento proces prenosu zahŕňa pozitívne aj negatívne asociácie.

Všetky zložky systému CRF, CRF, CRF-R a CRF-BP sú vyjadrené v amygdale. (Potter a kol., 1994). FOkrem toho je amygdala hlavným extrahypotalamickým zdrojom neurónov obsahujúcich CRF (Palkovits a kol., 1983; Van Pett a kol., 2000). Jadrá BLA aj CeA zohrávajú úlohu v stresovej reakcii (Richter a kol., 1995; Merali a kol., 1998; Koob a Heinrichs, 1999). Rozsiahle štúdie ukázali, že Systém CRF sa podieľa na konsolidácii pamäte, ktorá zahŕňa obvod BLA-CeA (Roozendaal a kol., 2002; Hubbard a kol., 2007). Bolo pozorované, že uvoľňovanie CRF v amygdale je zvýšené pri akútnom vysadení (Richter a Weiss, 1999); preto, predpokladalo sa, že CRF môže modulovať synaptickú plasticitu vyvolanú liekom (Ungless a kol., 2001, 2003) a o nedávnej recenzii pozri (Luscher a Malenka, 2011). Neuronálna báza pre negatívne zosilnenie je menej dobre pochopená; najnovšie štúdie správania však ukázali, že CRF je schopný potenciovať excitačné synaptické prúdy prostredníctvom CRF-R1 v CeA dva týždne po stiahnutí z kokaínu (Pollandt et al., 2006).

Nedávna štúdia ukázala, že CRF-R1 má špecificky obojsmernú úlohu pri úzkosti (Refojo et al., 2011). Zatiaľ čo delécia CRF-R1 v dopamínergných neurónoch v strede mozgu zvyšuje správanie podobné úzkosti a znižuje uvoľňovanie dopamínu v prefrontálnej kôre, delécia CRF-R1 v prednej mozgovej sieti glutamanergnej neurónov obmedzuje úzkosť a narušuje prenos v amygdale a hipokampu (Refojo et a kol., 2011).

Úloha CRF bola tiež extenzívne hodnotená pri dobrovoľnej konzumácii etanolu pomocou génovej expresie a genetickej variácie v predklinických modeloch (Bjork a kol. 2010) na rozsiahle preskúmanie. U zvierat exponovaných etanolom sa príjem etanolu znížil podávaním antagonistu CRF-R1 a testoval sa pomocou farmakologických zásahov, ktoré znižujú správanie podobné úzkosti (Logrip et al., 2011; Zorrilla a Koob, 2012). Zníženie príjmu etanolu sa pozorovalo aj u transgénnych myší s deléciou CRF-R1 (CRF-R1 KO) (Chu a kol., 2007). Antagonisti CRF-R1 znižujú úzkosť súvisiacu s vysadením liekov a zmierňujú negatívne zosilňujúce účinky etanolu spojené s predĺženou expozíciou etanolu (Ghitza a kol., 2006; Marinelli a kol., 2007; Li a kol., 2007; Koob a Le Moal, 2008b; Richards a kol., 2008). Inhibítory CRF-R1 preukázali tlmenie relapsu vyvolaného stresom na kokaín a heroín u trénovaných zvierat (Shaham a kol., 1998) a na zníženie stresom indukovanej obnovy a stresom indukovanej reaktivácie podmieneného preferencie miesta v mnohých návykových látkach (Koob a Zorrilla, 2010).

Vyhlásenie o konflikte záujmov

Autori vyhlasujú, že výskum bol vykonaný bez obchodných alebo finančných vzťahov, ktoré by mohli byť interpretované ako potenciálny konflikt záujmov.