Transkripcijski mehanizmi odvisnosti od drog (2012)

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

Nestler EJ.

vir

Fishberg Oddelek za nevroznanost in Inštitut Friedman Brain, Medicinska šola Mount Sinai, New York, ZDA.

Minimalizem

Regulacija izražanja genov se šteje za verjeten mehanizem odvisnosti od drog zaradi stabilnosti vedenjskih nepravilnosti, ki opredeljujejo odvisno stanje. Številni transkripcijski faktorji, proteini, ki se vežejo na regulatorne regije določenih genov in s tem nadzorujejo ravni njihovega izražanja, so bili vpleteni v proces zasvojenosti v zadnjih desetih letih ali dveh. Tukaj smo pregledali vse več dokazov o vlogi več pomembnih transkripcijskih faktorjev, vključno z beljakovino družine Fos (ΔFosB), veznim proteinom za odziv cAMP (CREB), in jedrskim faktorjem kapa B (NFκB), med več drugimi, pri odvisnosti od drog. . Kot bomo videli, vsak dejavnik kaže zelo različno regulacijo zlorabe drog v možganskem nagradnem vezju in posledično posreduje različne vidike fenotipa odvisnosti. Sedanja prizadevanja so usmerjena v razumevanje razpona ciljnih genov, preko katerih ti transkripcijski faktorji povzročajo svoje funkcionalne učinke in vključene molekularne mehanizme. To delo obljublja, da se razkrije bistveno nov vpogled v molekularno osnovo odvisnosti, ki bo prispevala k izboljšanju diagnostičnih testov in terapij za zasvojenost.

ključne besede: Transkripcijski faktorji, Nucleus accumbens, Ventralno tegmentalno območje, Orbitofrontalna skorja, Preoblikovanje kromatina, Epigenetika

UVOD

Študija transkripcijskih mehanizmov zasvojenosti temelji na hipotezi, da je regulacija genske ekspresije pomemben mehanizem, s katerim kronična izpostavljenost drogam povzroča dolgotrajne spremembe v možganih, ki so osnova za vedenjske nepravilnosti, ki določajo stanje odvisnosti.1,2) Posledica te hipoteze je, da se spremembe, ki jih povzročajo številni nevrotransmiterski sistemi in morfologija nekaterih nevronskih celičnih tipov v možganih, s kroničnim dajanjem zdravila posredujejo deloma s spremembami v izražanju genov.

Seveda ni vsa zdravila, ki jih povzroča nevronska in vedenjska plastičnost, posredovana na ravni genske ekspresije, saj poznamo bistvene prispevke translacijskih in posttranslacijskih sprememb in trgovine z beljakovinami pri pojavih, povezanih z zasvojenostjo. Po drugi strani je regulacija genske ekspresije osrednji mehanizem in je verjetno še posebej pomembna za vseživljenjske nenormalnosti, ki označujejo odvisnost. Pravzaprav uredba o prepisu zagotavlja predlogo, nad katero delujejo ti drugi mehanizmi.

Dela v zadnjih približno 15 letih so zagotovila vse več dokazov o vlogi izražanja genov pri odvisnosti od drog, saj je bilo vpletenih več transkripcijskih faktorjev - beljakovin, ki se vežejo na specifične odzivne elemente v promotorskih regijah ciljnih genov in uravnavajo izražanje teh genov. pri delovanju zdravil. V skladu s to shemo, prikazano v Slika 1Droge zlorabe, preko svojih začetnih dejanj v sinapsi, povzročajo spremembe v nevronih, ki signalizirajo jedru, in uravnavajo aktivnost številnih transkripcijskih faktorjev in mnogih drugih tipov transkripcijskih regulatornih proteinov.3) Te jedrske spremembe se postopoma in postopoma gradijo s ponavljajočo se izpostavljenostjo zdravilom in so osnova za stabilne spremembe v izražanju specifičnih ciljnih genov, kar pa prispeva k trajnim spremembam nevronske funkcije, ki ohranjajo odvisnost.1,4)

Zunanja datoteka, ki vsebuje sliko, ilustracijo itd. Ime objekta je cpn-10-136-g001.jpg

Transkripcijska dejanja zlorabe drog. Čeprav zlorabe zdravil najprej vplivajo na njihove neposredne proteinske cilje v sinapsi, so njihovi dolgoročni funkcionalni učinki delno posredovani z regulacijo spodnjih signalnih poti, ki se pretvarjajo v celično jedro. Tukaj regulacija transfaktorjev povzroča stabilno regulacijo specifičnih ciljnih genov in trajne vedenjske nepravilnosti, ki so značilne za odvisnost.

Ta pregled se osredotoča na več transkripcijskih dejavnikov, za katere je bilo dokazano, da igrajo pomembno vlogo pri zasvojenosti. Nadalje se osredotočamo na transkripcijske dejavnike, ki jih uravnavajo droge, v možganskem nagradnem vezju, področjih možganov, ki običajno uravnavajo posameznikove odzive na naravne nagrade (npr. Hrana, spol, socialna interakcija), vendar jih kronična izpostavljenost drogam povzroča odvisnost. To vezje za nagrajevanje možganov vključuje dopaminergične nevrone v ventralnem tegmentalnem območju srednjega možganov in več regij limbičnega prednjega možganov, ki jih inervirajo, med drugim tudi nucleus accumbens (ventral striatum), predfrontalno skorjo, amigdalo in hipokampus. Kot bo razvidno, se je velika večina raziskav o transkripcijskih mehanizmih zasvojenosti doslej osredotočila na nucleus accumbens.

ΔFosB

ΔFosB je kodiran s strani FosB gen in deli homologijo z drugimi transkripcijskimi faktorji družine Fos, ki vključujejo c-Fos, FosB, Fra1 in Fra2.5) Ti proteini iz družine Fos heterodimerizirajo z beljakovinami iz družine Jun (c-Jun, JunB ali JunD), da tvorijo dejavnike transkripcije aktivnega proteina-1 (AP1), ki se vežejo na mesta AP1, prisotna v promotorjih določenih genov, da regulirajo njihovo transkripcijo. Te beljakovine družine Fos se inducirajo hitro in prehodno v določenih regijah možganov po akutnem dajanju številnih zlorab drog (Slika 2).2) Ti odzivi so najbolj vidni v nucleus accumbens in dorsal striatum, vidni pa so tudi v nekaterih drugih možganskih področjih.6) Vse te beljakovine družine Fos pa so zelo nestabilne in se vrnejo na osnovne ravni v nekaj urah po dajanju zdravila.

Zunanja datoteka, ki vsebuje sliko, ilustracijo itd. Ime objekta je cpn-10-136-g002.jpg  

Izrazite časovne lastnosti regulacije ΔFosB v primerjavi z CREB. (A) ΔFosB. Zgornji graf prikazuje več valov beljakovin družine Fos (ki jih sestavljajo c-Fos, FosB, ΔFosB [izoforma 33 kD], Fra1, Fra2), ki jih v akumuliranih jedrih povzroči akutno dajanje drog. Izvedene so tudi biokemično spremenjene izoforme ΔFosB (35-37 kD); z nizkim nivojem jih povzroči akutno dajanje zdravil, vendar v možganih vztrajajo dlje časa zaradi njihove stabilnosti. Spodnji graf kaže, da pri ponavljajočem se (npr. Dvakrat na dan) dajanju zdravila vsak akutni dražljaj povzroči nizko raven stabilnih izooblik ΔFosB. To kaže spodnji niz prekrivajočih se črt, ki označujejo ΔFosB, ki ga povzroča vsak akutni dražljaj. Rezultat je postopno povečanje skupne ravni ΔFosB s ponavljajočimi se dražljaji med kroničnim zdravljenjem. To kaže naraščajoča stopničasta črta na grafu. (B) CREB. Aktivacija transkripcijske aktivnosti CRE, posredovana s fosforilacijo in aktivacijo CREB in po možnosti z indukcijo nekaterih ATF, se hitro in prehodno zgodi v nucleus accumbens kot odziv na akutno dajanje zdravila. Ta vzorec aktivacije "najvišje in najnižje" vztraja pri kronični izpostavljenosti zdravilu, pri čemer se ravni transkripcije CRE v 1-2 dneh po odvzemu zdravila povrnejo v normalno stanje.

Zelo različni odzivi so opaženi po kroničnem dajanju drog (\ tSlika 2). Biokemično modificirane izoforme ΔFosB (Mr 35-37 kD) se kopiči v istih možganskih regijah po večkratni izpostavljenosti zdravilu, medtem ko vsi člani družine Fos izkazujejo toleranco (to je zmanjšano indukcijo v primerjavi z začetno izpostavljenostjo zdravilu).7-9) Takšno kopičenje ΔFosB je bilo opaženo za skoraj vsa zloraba, čeprav se različna zdravila nekoliko razlikujejo v relativni stopnji indukcije v jedru nucleus accumbens proti lupini, hrbtnemu striatumu in drugih regijah možganov.2,6) Vsaj pri nekaterih zlorabah drog se zdi, da je indukcija ΔFosB selektivna za podskupino srednje trnastih nevronov, ki vsebujejo dinorfin, - tiste, ki pretežno izražajo dopaminske receptorje D1 - znotraj striatnih regij. Izoforme 35-37 kD ΔFosB se v glavnem dimerizirajo z JunD, da tvorijo aktiven in dolgotrajen kompleks AP-1 v teh možganskih regijah,7,10) čeprav obstaja nekaj dokazov in vitro študije, da lahko ΔFosB tvorijo homodimere.11) Zdi se, da je indukcija ΔFosB v jedru accumbens odziv na farmakološke lastnosti zdravila po sebi in niso povezane z vnosom zdravil, ker živali, ki samo-aplicirajo kokain ali prejemajo vbrizgane droge, kažejo enako indukcijo tega transkripcijskega faktorja v tej možganski regiji.6) V nasprotju s tem, indukcija ΔFosB v nekaterih drugih regijah, na primer orbitofrontalni skorji, zahteva voljno dajanje zdravila.12)

Izooblike 35-37 kD ΔFosB se kopičijo s kronično izpostavljenostjo zdravilu zaradi izredno dolge razpolovne dobe.7-13) Zaradi stabilnosti proteina ΔFosB vztraja pri nevronih vsaj nekaj tednov po prenehanju izpostavljenosti zdravilu. Zdaj vemo, da je ta stabilnost posledica dveh dejavnikov: 1) odsotnosti v ΔFosB dveh degron domen, ki sta prisotna na C-koncu polne dolžine FosB in vseh drugih beljakovin družine Fos in te proteine ​​usmerita v hitro razgradnjo, in 2) fosforilacijo ΔFosB na njegovem N-koncu s kazein kinazo 2 in morda drugimi protein-kinazami.14-16) Stabilnost izoform ΔFosB zagotavlja nov molekularni mehanizem, s katerim lahko spremembe v izražanju genov, ki jih povzročajo zdravila, vztrajajo kljub razmeroma dolgim ​​obdobjem umika zdravila. Zato smo predlagali, da ΔFosB deluje kot trajno "molekularno stikalo", ki pomaga sprožiti in nato vzdrževati odvisnost.1,2)

Vloga v odvisnosti

Vpogled v vlogo ΔFosB pri zasvojenosti z drogami je v veliki meri posledica študij bitransgenskih miši, v katerih se lahko ΔFosB selektivno inducira znotraj nucleus accumbens in dorzalnega striatuma odraslih živali.17) Pomembno je, da te miši prekomerno eksprimirajo ΔFosB selektivno v dynorphin vsebujočih srednjih nevronih, kjer se domneva, da zdravila inducirajo protein. ΔFosB-prekomerno izražene miši kažejo povečane lokomotorne odzive na kokain po akutni in kronični uporabi.17) Prav tako kažejo večjo občutljivost na koristne učinke kokaina in morfina v testih kondicioniranja,17-19) in samostojno dajati manjše odmerke kokaina in več delati za kokain kot tisti, ki ne prekomerno izražajo ΔFosB.20) Poleg tega prekomerna ekspresija ΔFosB v nucleus accumbens povečuje razvoj opiatne fizične odvisnosti in spodbuja opiatno analgetično toleranco.19) Nasprotno pa so miši, ki izražajo ΔFosB, normalne v številnih drugih vedenjskih področjih, vključno s prostorskim učenjem, kot je bilo ocenjeno v Morisovem vodnem labirintu.17) Specifično usmerjanje prekomerne ekspresije ΔFosB na nucleus accumbens z uporabo virusnega prenosa genov je dalo enakovredne podatke.19)

Nasprotno, usmerjanje ΔFosB ekspresije na enkepahlin-vsebujoče sredice kostnih nevronov v nucleus accumbens in dorsal striatum (tiste, ki pretežno izražajo D2 dopaminske receptorje) v različnih linijah bitransgeničnih miši ne kažejo večine teh vedenjskih fenotipov.19) V nasprotju s prekomerno ekspresijo ΔFosB, prekomerna ekspresija mutantnega proteina Jun (ΔcJun ali ΔJunD) - ki deluje kot prevladujoči negativni antagonist transkripcije, ki jo posreduje AP1 - z uporabo bitransgenih miši ali z virusnim posredovanjem genskega prenosa povzroči nasprotne vedenjske učinke.18,19,21) Ti podatki kažejo, da indukcija ΔFosB v srednje trnih nevronih jedra accumbens, ki vsebujejo dinorfin, poveča občutljivost živali na kokain in druga zdravila, ki zlorabljajo zdravila, in lahko predstavlja mehanizem za sorazmerno dolgotrajno preobčutljivost na zdravila.

Vloga indukcije ΔFosB v drugih regijah možganov je manj razumljiva. Nedavne študije so pokazale, da indukcija ΔFosB v orbitofrontalni skorji posreduje toleranco pri nekaterih kognitivno-motnih učinkih akutne izpostavljenosti kokainu, kar bi lahko prispevalo k nadaljnjemu spodbujanju vnosa drog.12,22)

ΔFosB tarčni geni

Ker je ΔFosB transkripcijski faktor, domnevno proizvaja ta zanimiv vedenjski fenotip v nucleus accumbens s povečanjem ali zatiranjem izražanja drugih genov. Z uporabo naših inducibilnih, bitransgenih miši, ki prekomerno izražajo ΔFosB ali njegov prevladujoči negativni ΔcJun, in z analizo ekspresije genov na čipih Affymetrix smo pokazali, da - v nucleus accumbens vivo -ΔFosB deluje predvsem kot transkripcijski aktivator, medtem ko služi kot represor za manjšo podskupino genov.18) Ta študija je pokazala tudi prevladujočo vlogo ΔFosB pri posredovanju genomskih učinkov kokaina: ΔFosB je vpleten v skoraj četrtino vseh genov, na katere je v nucleus accumbens vplival kronični kokain.

Ta genomski pristop, skupaj s študijami več genov kandidatov vzporedno, je vzpostavil več tarčnih genov ΔFosB, ki prispevajo k njegovemu vedenjskemu fenotipu. Eden od kandidatnih genov je GluA2, podenota receptorja AMPA glutamata, ki jo inducira ΔFosB v nucleus accumbens.17) Ker imajo kanali AMPA, ki vsebujejo GluA2, nižjo splošno prevodnost kot kanali AMPA, ki ne vsebujejo te podenote, bi lahko povečana regulacija GluA2a v jedru accumbens, ki jo povzroči kokain in ΔFosB, vsaj deloma pripisala zmanjšanim glutamatergičnim odzivom pri teh nevronov po kronični izpostavljenosti zdravilu.23)

Drug ciljni gen ΔFosB v nucleus accumbens je opioidni peptid, dynorphin. Spomnimo se, da se zdi, da je ΔFosB induciran z zlorabami drog, zlasti v celicah, ki proizvajajo dinorfin, v tem možganskem območju. Droge zlorabe imajo kompleksen učinek na izražanje dynorphina, pri čemer se povečanja ali zmanjšanja opazijo glede na uporabljene pogoje zdravljenja. Pokazali smo, da indukcija ΔFosB zavira ekspresijo gena dynorphina v nucleus accumbens.19) Dynorphin naj bi aktiviral κ opioidne receptorje na nevronih dopamina na predelu ventralnega tegmentnega območja (VTA) in zaviral dopaminergični prenos ter s tem znižal mehanizme nagrajevanja.24,25) Zato bi lahko ΔFosB represija ekspresije dinorfinov prispevala k izboljšanju mehanizmov nagrajevanja, ki jih posreduje ta transkripcijski faktor. Zdaj obstajajo neposredni dokazi, ki podpirajo vpletenost represije genov za dnorfin v vedenjski fenotip ΔFosB.19)

Identificirani so bili še dodatni ciljni geni. ΔFosB potisne c-Fos gen, ki pomaga ustvariti molekularni preklop - od indukcije več kratkotrajnih beljakovin družine Fos po akutni izpostavljenosti zdravilu do prevladujočega kopičenja ΔFosB po kronični izpostavljenosti zdravilu - prej omenjeno.9) Nasprotno, ciklin-odvisna kinaza-5 (Cdk5) je inducirana v nucleus accumbens s kroničnim kokainom, učinek, ki smo ga pokazali, je posredovan preko ΔFosB.18,21,26) Cdk5 je pomembna tarča ΔFosB, ker je bila njegova ekspresija neposredno povezana z zvišanjem gostote dendritičnih hrbtenic jedrnih ovčjih nevronov nucleus accumbens,27,28) v nukleusu accumbens, ki so povezani s kronično uporabo kokaina.29,30) Pokazalo se je, da je indukcija ΔFosB nedavno potrebna in zadostna za dendritično rast hrbtenice, ki jo povzroča kokain.31)

V zadnjem času smo uporabili kromatinsko imunoprecipitacijo (ChIP), ki ji sledi promotorski čip (ChIP-chip) ali globinsko sekvenciranje (ChIP-seq) za nadaljnjo identifikacijo ΔFosB ciljnih genov.32) Te študije, skupaj z že prej navedenimi vrstami ekspresije DNA, ponujajo bogat seznam številnih dodatnih genov, na katere lahko ΔFosB cilja neposredno ali posredno. Med temi geni so dodatni nevrotransmitorski receptorji, beljakovine, ki sodelujejo v pred- in postsinaptični funkciji, številne vrste ionskih kanalov in znotrajcelične signalne beljakovine, beljakovine, ki uravnavajo nevronski citoskelet in rast celic, ter številni proteini, ki uravnavajo strukturo kromatina.18,32) Nadaljnje delo je potrebno, da se potrdi vsak od teh številnih beljakovin kot bona fide cilje kokaina, ki delujejo preko ΔFosB, in ugotoviti natančno vlogo, ki jo ima vsaka beljakovina pri posredovanju kompleksnih nevronskih in vedenjskih vidikov delovanja kokaina.

CREB

Ciklični AMP odzivni protein (CREB) je eden najbolj raziskanih transkripcijskih faktorjev v nevroznanosti in je vpleten v različne vidike nevralne plastičnosti.33) Oblikuje homodimere, ki se lahko vežejo na gene pri cikličnih AMP odzivnih elementih (CREs), vendar predvsem aktivira transkripcijo, potem ko je bila fosforilirana na Ser133 (s katerokoli od več protein kinaz), kar omogoča pridobivanje CREB-vezavnega proteina (CBP), ki je nato spodbuja prepisovanje. Mehanizem, s katerim aktivacija CREB potisne izražanje določenih genov, je manj dobro razumljen.

Tako psihostimulansi (kokain in amfetamin) kot opiati akutno in kronično povečujejo aktivnost CREB - merjeno s povečano aktivnost fosfo-CREB (pCREB) ali poročevalskega gena pri transgenih miših CRE-LacZ - v več možganskih regijah, vključno z nucleus accumbens in dorsal striatum .34-36) Časovni potek te aktivacije se zelo razlikuje od tistega, ki ga prikazuje ΔFosB. Kot je prikazano v Slika 2Aktivacija CREB je zelo prehodna v odzivu na akutno dajanje zdravila in se vrne na normalne vrednosti v enem ali dveh dneh po umiku. Poleg tega se aktivacija CREB pojavi v podtipih dynorphina in enkefalina v srednje velikih nevronov.34) Za razliko od kokaina in opiatov, CREB kaže bolj zapletene in raznolike odzive na druge droge.4)

Eksperimenti, ki vključujejo inducirano čezmerno izražanje CREB ali dominantnega negativnega mutanta pri bitragenskih miših ali z virusnimi vektorji, so pokazali, da aktivacija CREB - v presenetljivem nasprotju z ΔFosB - v nucleus accumbens zmanjša koristne učinke kokaina in opiatov, ocenjenih pri kondicioniranju prostora. analize.37,38) Kljub temu aktivacija CREB, kot je indukcija ΔFosB, spodbuja samo-dajanje zdravil.39) Pomembno je, da so bili učinki s prevladujočim negativnim CREB potrjeni z inducibilnimi udarci endogene dejavnosti CREB.39-41) Zanimivo je, da oba transkripcijska faktorja vplivata na vnos vnosa zdravil; domnevno ΔFosB to počne prek pozitivne ojačitve, medtem ko CREB inducira ta fenotip preko negativne ojačitve. Slednja možnost je skladna z znatnimi dokazi, da aktivnost CREB v tej možganski regiji povzroča negativno čustveno stanje.34,42)

Aktivnost CREB je bila neposredno povezana s funkcionalno aktivnostjo nucleus accumbens srednjih živčnih nevronov. Prekomerna ekspresija CREB se poveča, medtem ko se prevladujoče negativni CREB zmanjša, električna vzburjenost srednjih kosti nevronov.43) Možne razlike med nevroni dynorphina in enkefalina še niso raziskane. Opažanje, da virusno posredovana prekomerna ekspresija K+ kanalska podenota v nucleus accumbens, ki zmanjšuje vzbujenost srednjega nevrona, povečuje lokomotorne odzive na kokain, kaže, da CREB deluje kot prekinitev na vedenjsko senzibilizacijo kokaina s povečanjem nevronske razdražljivosti.43)

Droge zlorabe aktivirajo CREB v več regijah možganov zunaj nucleus accumbens. Eden od primerov je ventralno tegmentalno področje, kjer kronično dajanje kokaina ali opiatov aktivira CREB znotraj dopaminergičnih in ne-dopaminergičnih nevronov. Zdi se, da ta učinek spodbuja ali zmanjšuje nagrajevanje odzivov drog, ki so odvisni od podregije prizadetega ventralnega tegmentalnega območja.

Številni ciljni geni za CREB so bili identificirani z odprtimi in kandidatnimi genskimi pristopi, ki posredujejo te in druge učinke na nukleus akumbensov srednji živčni nevroni in nastali CREB vedenjski fenotip.18,32,36) Vidni primeri vključujejo opioidni peptid dynorphin,37) ki hrani nazaj in zavira dopaminergično signalizacijo na nucleus accumbens, kot je bilo navedeno prej.24,25) Prav tako so vpletene določene podenote receptorjev za glutamat, kot sta podenota GluA1 AMPA in podenota NMDA GluN2B, kot tudi K+ in Na+ podenote ionskih kanalov, za katere se pričakuje, da bodo nadzorovale razbremenljivost celic nucleus accumbens.43,44) BDNF je še en ciljni gen za CREB v nucleus accumbens in je tudi vpleten v posredovanje vedenjskega fenotipa CREB.35) Izkazalo se je tudi, da indukcija CREB prispeva k indukciji kokaina dendritičnih bodic na srednjih bodicastih nevronih nucleus accumbens.45)

CREB je le ena izmed več sorodnih beljakovin, ki vežejo CRE in uravnavajo transkripcijo ciljnih genov. Številni produkti gena cikličnega modulatorja odzivnega elementa AMP (CREM) uravnavajo s CRE posredovano transkripcijo. Nekateri izdelki (npr. CREM) so transkripcijski aktivatorji, medtem ko drugi (npr. ICER ali inducibilni ciklični zaviralec AMP) delujejo kot endogeni dominantni negativni antagonisti. Poleg tega lahko več aktivirajočih transkripcijskih faktorjev (ATF) deloma vpliva na izražanje genov z vezavo na mesta CRE. Nedavne študije so te različne transkripcijske dejavnike vključile v odzive na zdravila. Amfetamin inducira ekspresijo ICER v nucleus accumbens in prekomerna ekspresija ICER v tej regiji z virusnim posredovanjem genskega prenosa poveča občutljivost živali na vedenjske učinke zdravila.46) To je v skladu z zgoraj navedenimi ugotovitvami, da ima lokalna prekomerna ekspresija dominantnih negativnih mutantov CREB ali lokalno izkoreninjenje CREB podobne učinke. Amfetamin povzroča tudi ATF2, ATF3 in ATF4 v nucleus accumbens, medtem ko za ATF1 ali CREM ni opaziti nobenega učinka.47) Prekomerna ekspresija ATF2 v tej regiji, podobno kot pri ICER, poveča vedenjske odzive na amfetamin, medtem ko ima čezmerna ekspresija ATF3 ali ATF4 nasproten učinek. Zelo malo je znanega o ciljnih genih za te različne proteine ​​družine CREB, kar je pomembna usmeritev za prihodnje raziskave.

NFκB

Jedrski faktor-κB (NFκB), transkripcijski faktor, ki ga hitro aktivirajo različni dražljaji, je najbolje raziskan za njegovo vlogo pri vnetju in imunskih odzivih. Nedavno se je izkazalo, da je pomembno v sinaptični plastičnosti in spominu.48) NFkB se inducira v nucleus accumbens s ponavljajočo uporabo kokaina,49,50) kjer je potreben za indukcijo kokaina v dendritičnih bodicah jedra accumbens srednje trnaste nevrone. Takšna indukcija NFkB prispeva k preobčutljivosti do koristnih učinkov zdravila.50) Glavni cilj trenutnih raziskav je identificirati ciljne gene, preko katerih NFkB povzroča to celično in vedenjsko plastičnost.

Zanimivo je, da je kokainska indukcija NFkB posredovana z ΔFosB: prekomerna ekspresija ΔFosB v nucleus accumbens inducira NFkB, medtem ko prekomerna ekspresija dominantnega negativnega ΔcJun blokira indukcijo kokaina transkripcijskega faktorja.21,49) Ureditev NFkB z ΔFosB ilustrira kompleksne transkripcijske kaskade, ki sodelujejo pri delovanju zdravila. Tudi NFkB je bil vpleten v nekatere nevrotoksične učinke metamfetamina v striatnih regijah.51) Vloga NFkB v spinogenezi srednjih kosti nevrona je bila nedavno razširjena na modele stresa in depresije,52) ugotovitev, ki je še posebej pomembna ob upoštevanju komorbidnosti depresije in odvisnosti, ter dobro raziskanega pojava ponovitve stresa, povzročene z zlorabo drog.

MEF2

Faktor za povečanje miocitov-2 (MEF2) so odkrili za svojo vlogo pri nadzoru srčne miogeneze. V preteklosti je bil MEF2 vpleten v delovanje možganov.53) V možganih so izražene več izoforme MEF2, vključno z nukleus akumbensovimi srednjimi neonami, kjer tvorijo homo- in heterodimerje, ki lahko aktivirajo ali zatrejo transkripcijo genov, odvisno od narave beljakovin, ki jih pridobijo. Nedavno delo opisuje možen mehanizem, s katerim kronični kokain zavira aktivnost MEF2 v nucleus accumbens delno z zavrtjem kalcinevrina, Ca1, od D2 receptor-cAMP.+odvisne proteinske fosfataze.28) Vključena je tudi kokainska regulacija Cdk5, ki je tudi tarča kokaina in ΔFosB, kot je bilo navedeno zgoraj. To zmanjšanje aktivnosti MEF2 je potrebno za kokainsko indukcijo dendritičnih hrbtenic na srednje trde nevrone. Pomemben poudarek sedanjega dela je identificirati ciljne gene z MEF2, ki proizvaja ta učinek.

PRIHODNJE USMERITVE

Transkripcijski faktorji, ki smo jih obravnavali zgoraj, so le nekateri od številnih, ki so se skozi leta preučevali v modelih odvisnosti. Drugi, ki so vpleteni v odvisnost, so glukokortikoidni receptor, transkripcijski faktor jedra nucleus accumbens (NAC1), faktorji zgodnjega odziva na rast (EGR) in signalni pretvorniki in aktivatorji transkripcije (STAT).1,2) Kot en primer, je glukokortikoidni receptor potreben pri dopaminoceptivnih nevronih za iskanje kokaina.54) Cilj prihodnjih raziskav je pridobiti popolnejši pregled nad transkripcijskimi faktorji, ki so nastali v jedrih accumbens in drugih regijah možganskega nagrajevanja v odgovor na kronično izpostavljenost zlorabam drog in opredeliti obseg ciljnih genov, na katere vplivajo, da prispevajo k vedenjskemu fenotipu odvisnosti.

Drugi glavni cilj prihodnjih raziskav je določiti natančne molekularne korake, s katerimi ti različni transkripcijski faktorji uravnavajo njihove ciljne gene. Tako zdaj vemo, da transkripcijski faktorji kontrolirajo gensko ekspresijo s pridobivanjem v svoje ciljne gene niza ko-aktivatorskih ali ko-represorskih proteinov, ki skupaj uravnavajo strukturo kromatina okoli genov in naknadno rekrutiranje kompleksa RNA-polimeraze II, ki katalizira. prepis.4) Na primer, nedavne raziskave so pokazale, da se sposobnost ΔFosB, da inducira gen cdk5, zgodi v povezavi z pridobivanjem histon acetiltransferaze in sorodnih proteinov kromatina, preoblikovanih v gen.55) V nasprotju s tem se sposobnost ΔFosB za zatiranje gena c-Fos pojavlja skupaj z novačenjem histonske deacetilaze in verjetno tudi več drugih represivnih beljakovin, kot je represivni histon metil-transferaza (Slika 3).2,9,31) Glede na to, da je na stotine regulatornih proteinov kromatina verjetno zaposleno v genu v povezavi z njegovo aktivacijo ali represijo, je to delo samo vrh ledene gore velike količine informacij, ki jih je treba odkriti v prihodnjih letih.

Slika 3    

Epigenetski mehanizmi delovanja ΔFosB. Slika prikazuje zelo različne posledice, ko se ΔFosB veže na gen, ki ga aktivira (npr. Cdk5) proti nasproti (npr. c-Fos). Pri Cdk5 promotor (A), ΔFosB rekrutira histon ...

Ker je napredek dosežen pri določanju ciljnih genov za prepisovalno regulirane faktorje transkripcije, bodo te informacije zagotovile vedno bolj popolno predlogo, ki jo lahko uporabimo za usmerjanje prizadevanj za odkrivanje zdravil. Upamo, da bodo na podlagi teh dramatičnih napredkov v našem razumevanju mehanizmov transkripcije, ki so osnova odvisnosti, razvili nova zdravila.

Reference

1. Nestler EJ. Molekularna osnova dolgoročne plastičnosti, ki je v osnovi zasvojenosti. Nat Rev Neurosci. 2001;2: 119-128. [PubMed]
2. Nestler EJ. Pregled. Transkripcijski mehanizmi odvisnosti: vloga delta FosB. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2008;363: 3245-3255. [PMC brez članka] [PubMed]
3. Nestler EJ. Molekularna nevrobiologija zasvojenosti. Am J Addict. 2001;10: 201-217. [PubMed]
4. Robison AJ, Nestler EJ. Transkripcijski in epigenetski mehanizmi zasvojenosti. Nat Rev Neurosci. 2011;12: 623-637. [PMC brez članka] [PubMed]
5. Morgan JI, Curran T. Takojšnji zgodnji geni: deset let pozneje. Trendi Neurosci. 1995;18: 66-67. [PubMed]
6. Perrotti LI, Weaver RR, Robison B, Renthal W, Maze I, Yazdani S, et al. Različni vzorci indukcije DeltaFosB v možganih zaradi zlorabe drog. Synapse. 2008;62: 358-369. [PMC brez članka] [PubMed]
7. Chen J, Kelz MB, Hope BT, Nakabeppu Y, Nestler EJ. Kronični antigeni, povezani s Fos: stabilne variante deltaFosB, inducirane v možganih s kroničnim zdravljenjem. J Neurosci. 1997;17: 4933-4941. [PubMed]
8. Hiroi N, Brown J, Haile C, Ye H, Greenberg ME, Nestler EJ. Mutirane miši FosB: izguba kronične kokainske indukcije proteinov, povezanih s Fosom, in povečana občutljivost na psihomotorične in koristne učinke kokaina. Proc Natl Acad Sci ZDA. 1997;94: 10397-10402. [PMC brez članka] [PubMed]
9. Renthal W, Carle TL, Maze I, Covington HE, 3rd, Truong HT, Alibhai I, et al. Delta FosB posreduje epigenetsko desenzibilizacijo gena c-fos po kronični izpostavljenosti amfetaminu. J Neurosci. 2008;28: 7344-7349. [PMC brez članka] [PubMed]
10. Hiroi N, Marek GJ, Brown JR, Ye H, Saudou F, Vaidya VA, et al. Bistvena vloga gena fosB v molekularnem, celičnem in vedenjskem delovanju kroničnih elektro konvulzivnih napadov. J Neurosci. 1998;18: 6952-6962. [PubMed]
11. Jorissen H, Ulery P, Henry L, Gourneni S, Nestler EJ, Rudenko G. Dimerizacija in lastnosti vezave DNA transkripcijskega faktorja DeltaFosB. Biokemija. 2007;46: 8360-8372. [PubMed]
12. Winstanley CA, LaPlant Q, Theobald DEH, Green TA, Bachtell RK, Perrotti LI, et al. Indukcija DeltaFosB v orbitofrontalnem korteksu posreduje toleranco pri kognitivni disfunkciji, ki jo povzroča kokain. J Neurosci. 2007;27: 10497-10507. [PubMed]
13. Alibhai IN, Zelena TA, Potaškin JA, Nestler EJ. Ureditev izražanja fosB in DeltafosB mRNA: in vivo in in vitro študije. Brain Res. 2007;1143: 22-33. [PMC brez članka] [PubMed]
14. Ulery PG, Rudenko G, Nestler EJ. Regulacija stabilnosti DeltaFosB s fosforilacijo. J Neurosci. 2006;26: 5131-5142. [PubMed]
15. Ulery-Reynolds PG, Castillo MA, Vialou V, Russo SJ, Nestler EJ. Fosforilacija DeltaFosB posreduje njeno stabilnost in vivo. Nevroznanosti. 2009;158: 369-372. [PMC brez članka] [PubMed]
16. Carle TL, Ohnishi YN, Ohnishi YH, Alibhai IN, Wilkinson MB, Kumar A, et al. Odsotnost ohranjene C-terminalne degronske domene prispeva k edinstveni stabilnosti ΔFosB. Eur J Neurosci. 2007;25: 3009-3019. [PubMed]
17. Kelz MB, Chen J, Carlezon WA, Jr, Whisler K, Gilden L, Beckmann AM, et al. Izražanje transkripcijskega faktorja deltaFosB v možganih nadzoruje občutljivost na kokain. Narava. 1999;401: 272-276. [PubMed]
18. McClung CA, Nestler EJ. Regulacija izražanja genov in kokainske nagrade s strani CREB in DeltaFosB. Nat Neurosci. 2003;6: 1208-1215. [PubMed]
19. Zachariou V, Bolanos CA, Selley DE, Theobald D, Cassidy MP, Kelz MB, et al. DeltaFosB: Pomembna vloga za DeltaFosB v nucleus accumbens v delovanju morfina. Nat Neurosci. 2006;9: 205-211. [PubMed]
20. Colby CR, Whisler K, Steffen C, Nestler EJ, Self DW. Steratalno specifična prekomerna ekspresija DeltaFosB-a povečuje spodbudo za kokain. J Neurosci. 2003;23: 2488-2493. [PubMed]
21. Peakman MC, Colby C, Perrotti LI, Tekumalla P, Carle T, Ulery P, et al. Specifična ekspresija dominantnega negativnega mutanta c-Jun v transgenih miših, ki jo je mogoče inducirati, zmanjšuje občutljivost na kokain. Brain Res. 2003;970: 73-86. [PubMed]
22. Winstanley CA, Bachtell RK, Theobald DE, Laali S, Green TA, Kumar A, et al. Povečana impulzivnost med odvzemom kokainske samouprave: vloga DeltaFosB v orbitofrontalni skorji. Cereb Cortex. 2009;19: 435-444. [PMC brez članka] [PubMed]
23. Kauer JA, RC Malenka. Sinaptična plastičnost in zasvojenost. Nat Rev Neurosci. 2007;8: 844-858. [PubMed]
24. Shippenberg TS, Rea W. Preobčutljivost na vedenjske učinke kokaina: modulacija z agonisti dynorphina in kapa-opioidnih receptorjev. Farmakol Biochem Behav. 1997;57: 449-455. [PubMed]
25. Bruchas MR, Land BB, Chavkin C. Dynorphin / kappa opioidni sistem kot modulator stresno induciranega in pro-odvisnega vedenja. Brain Res. 2010;1314: 44-55. [PMC brez članka] [PubMed]
26. Bibb JA, Chen J, Taylor JR, Svenningsson P, Nishi A, Snyder GL, et al. Učinke kronične izpostavljenosti kokainu ureja nevronski protein Cdk5. Narava. 2001;410: 376-380. [PubMed]
27. Norrholm SD, Bibb JA, Nestler EJ, Ouimet CC, Taylor JR, Greengard P. Kokainsko povzročena proliferacija dendritičnih hrbtenic v nucleus accumbens je odvisna od aktivnosti ciklin odvisne kinaze-5. Nevroznanosti. 2003;116: 19-22. [PubMed]
28. Pulipparacharuvil S, Renthal W, Hale CF, Taniguchi M, Xiao G, Kumar A, et al. Kokain uravnava MEF2, da nadzoruje sinaptično in vedenjsko plastičnost. Neuron. 2008;59: 621-633. [PMC brez članka] [PubMed]
29. Robinson TE, Kolb B. Strukturna plastičnost, povezana z izpostavljenostjo zlorabam drog. Neurofarmakologija. 2004;47(Dodatek 1): 33 – 46. [PubMed]
30. Russo SJ, Dietz DM, Dumitriu D, Morrison JH, Malenka RC, Nestler EJ. Zasvojena sinapsa: mehanizmi sinaptične in strukturne plastičnosti v nucleus accumbens. Trendi Neurosci. 2010;33: 267-276. [PMC brez članka] [PubMed]
31. Maze I, Covington HE, 3rd, Dietz DM, LaPlant Q, Renthal W, Russo SJ, et al. Bistvena vloga histonske metiltransferaze G9a pri plastičnosti, ki jo povzroča kokain. Znanost. 2010;327: 213-216. [PMC brez članka] [PubMed]
32. Renthal W, Kumar A, Xiao G, Wilkinson M, Covington HE, 3rd, Maze I, et al. Genomska analiza kromatinskega uravnavanja s kokainom kaže na vlogo sirtuinov. Neuron. 2009;62: 335-348. [PMC brez članka] [PubMed]
33. Mayr B, Montminy M. Transkripcijska regulacija s fosforilacijsko odvisnim faktorjem CREB. Nat Rev Mol Cell Biol. 2001;2: 599-609. [PubMed]
34. Carlezon WA, Jr, Duman RS, Nestler EJ. Veliko obrazov CREB. Trendi Neurosci. 2005;28: 436-445. [PubMed]
35. Graham DL, Edwards S, Bachtell RK, DiLeone RJ, Rios M, Self DW. Dinamična aktivnost BDNF v nucleus accumbens z uporabo kokaina poveča samo-dajanje in ponovitev bolezni. Nat Neurosci. 2007;10: 1029-1037. [PubMed]
36. Briand LA, Blendy JA. Molekularni in genetski substrati, ki povezujejo stres in odvisnost. Brain Res. 2010;1314: 219-234. [PMC brez članka] [PubMed]
37. Carlezon WA, Jr, Thome J, Olson VG, Lane-Ladd SB, Brodkin ES, Hiroi N, et al. Ureditev nagrajevanja kokaina s strani CREB. Znanost. 1998;282: 2272-2275. [PubMed]
38. Barrot M, Olivier JD, Perrotti LI, DiLeone RJ, Berton O, Eisch AJ, et al. Aktivnost CREB v lupini nucleus accumbens nadzoruje preoblikovanje vedenjskih odzivov na čustvene dražljaje. Proc Natl Acad Sci ZDA A. 2002;99: 11435-11440. [PMC brez članka] [PubMed]
39. Larson EB, Graham DL, Arzaga RR, Buzin N, Webb J, Green TA, et al. Prekomerna ekspresija CREB v lupini nucleus accumbens poveča okrepitev kokaina v podganjih samopodročjih. J Neurosci. 2011;31: 16447-16457. [PMC brez članka] [PubMed]
40. Zelena TA, Alibhai IN, Roybal CN, Winstanley CA, Theobald DE, Birnbaum SG, et al. Okoljska obogatitev povzroči vedenjski fenotip, ki ga posreduje aktivnost vezivnega elementa z nizkim cikličnim adenozin monofosfatom (CREB) v nucleus accumbens. Biol Psychiatry. 2010;67: 28-35. [PMC brez članka] [PubMed]
41. Vialou V, Feng J, Robison AJ, Ku SM, Ferguson D, Scobie KN, et al. Za indukcijo kokaina deltaFosB sta potrebna tudi serumski odzivni faktor in vezni protein cAMP odgovora. J Neurosci. 2012;32: 7577-7584. [PMC brez članka] [PubMed]
42. Dinieri JA, Nemeth CL, Parsegian A, Carle T, Gurevich VV, Gurevich E, et al. Spremenjena občutljivost na nagrajevanje in averzivna zdravila pri miših z inducibilno motnjo funkcije veznega proteina cAMP odgovora elementa znotraj nucleus accumbens. J Neurosci. 2009;29: 1855-1859. [PMC brez članka] [PubMed]
43. Dong Y, Green T, Saal D, Marie H, Neve R, Nestler EJ, et al. CREB modulira razburljivost nevronov nucleus accumbens. Nat Neurosci. 2006;9: 475-477. [PubMed]
44. Huang YH, Lin Y, Brown TE, Han MH, Saal DB, Neve RL, et al. CREB modulira funkcionalne rezultate nevronov nucleus accumbens: kritično vlogo receptorjev N-metil-D-aspartat glutamatnih receptorjev (NMDAR). J Biol Chem. 2008;283: 2751-2760. [PMC brez članka] [PubMed]
45. Brown TE, Lee BR, Mu P, Ferguson D, Dietz D, Ohnishi YN, et al. Mehanizem tihe sinapse za kokainsko inducirano lokomotorno senzibilizacijo. J Neurosci. 2011;31: 8163-8174. [PMC brez članka] [PubMed]
46. Zelena TA, Alibhai IN, Hommel JD, DiLeone RJ, Kumar A, Theobald DE, et al. Indukcija inducibilnega cAMP zgodnjega represorskega izražanja v nucleus accumbens s stresom ali amfetaminom povečuje vedenjske odzive na čustvene dražljaje. J Neurosci. 2006;26: 8235-8242. [PubMed]
47. Zelena TA, Alibhai IN, Unterberg S, Neve RL, Ghose S, Tamminga CA, et al. Indukcija aktiviranja transkripcijskih faktorjev (ATF) ATF2, ATF3 in ATF4 v nucleus accumbens in njihova regulacija čustvenega vedenja. J Neurosci. 2008;28: 2025-2032. [PubMed]
48. Meffert MK, Baltimore D. Fiziološke funkcije za NF-kappaB v možganih. Trendi Neurosci. 2005;28: 37-43. [PubMed]
49. Ang E, Chen J, Zagouras P, Magna H, Holland J, Schaeffer E, et al. Indukcija jedrskega faktorja-kappaB v nucleus accumbens s kronično kokainsko administracijo. J Neurochem. 2001;79: 221-224. [PubMed]
50. Russo SJ, Wilkinson MB, Mazei-Robison MS, Dietz DM, Maze I, Krishnan V, et al. Signalizacija jedrskega faktorja kapa B regulira morfologijo nevronov in nagrado za kokain. J Neurosci. 2009;29: 3529-3537. [PMC brez članka] [PubMed]
51. Asanuma M, Cadet JL. Metamfetaminsko inducirano povečanje striatne aktivnosti vezave NF-kapaB DNA je oslabljeno v transgenih miših superoksid dismutaze. Brain Res Mol Brain Res. 1998;60: 305-309. [PubMed]
52. Christoffel DJ, Golden SA, Dumitriu D, Robison AJ, Janssen WG, Ahn HF, et al. IkB kinaza uravnava družbeno porazno sinaptično in vedenjsko plastičnost. J Neurosci. 2011;31: 314-321. [PMC brez članka] [PubMed]
53. Flavell SW, Kim TK, Gray JM, Harmin DA, Hemberg M, Hong EJ, et al. Celotna analiza genoma MEF2 transkripcijskega programa razkriva sinaptične ciljne gene in selekcijo poliadenilacijske lokacije, odvisno od nevronske aktivnosti. Neuron. 2008;60: 1022-1038. [PMC brez članka] [PubMed]
54. Ambroggi F, Turiault M, Milet A, Deroche-Gamonet V, Parnaudeau S, Balado E, et al. Stres in zasvojenost: glukokortikoidni receptor pri dopaminoceptivnih nevronih olajšuje iskanje kokaina. Nat Neurosci. 2009;12: 247-249. [PubMed]
55. Kumar A, Choi KH, Renthal W, Tsankova NM, Theobald DE, Truong HT, et al. Preoblikovanje kromatina je ključni mehanizem, ki je osnova za plastičnost kokaina v striatumu. Neuron. 2005;48: 303-314. [PubMed]