Stress och missbruk: bidrag från kortikotropinfrisättningsfaktorn (CRF) i neuroplasticitet (2012)

Corticotropin releasing factor (CRF) -system

CRF, även känd som kortikotropinfrisättande hormon (CRH), har visat sig inducera olika beteendeförändringar relaterade till anpassning till stress. Dysregulering av CRF-systemet när som helst kan leda till en mängd olika psykiatriska störningar såsom depression, tvångssyndrom, post-traumatisk stressstörning och SUDs (Cole et al., 1990; Sarnyai et al., 1992, 2001; Cador et al., 1993; Koob och Kreek, 2007; Koob och Le Moal, 2008). Fotshockinducerad stress har visats vara effektiv för att inducera återinförande av alkohol (Le et al., 1998, 2000; Gass och oliv, 2007; Richards et al., 2008nikotin (Buczek et al., 1999kokain (Erb et al., 1996), opiat- och psykostimuleringsmedel (Lu et al., 2003) och heroin (Shaham et al., 1997) söker. Specifikt har CRF associerats med läkemedelsåterinföring (Shaham et al., 1997; Le et al., 2002; Liu och Weiss, 2002; Funk et al., 2006). CRF har också visat sig åstadkomma ångestliknande beteenden under uttag från kronisk etanol (Baldwin et al., 1991; Overstreet et al., 2004) och kan vara ansvarig för ihållande sårbarhet och eventuell återfall.

Smakämnen CRF-systemet består av fyra ligander: CRF, urokortin (UCN) (Vaughan et al., 1995) 1, 2 och 3, två G-proteinkopplade receptorer (GPCR), CRF-receptor 1 (CRF-R1) och CRF-receptor 2 (CRF-R2), samt ett utsöndrat CRF-bindande protein (CRF- BP); se bordet Table11 och (Bale och Vale, 2004) för CRF-systemgranskning.

Det identifierades ursprungligen som en hypothalamisk faktor som ansvarar för att stimulera utsöndring av adrenokortikotropiskt hormon (ACTH) från främre hypofysen (Guillemin och Rosenberg, 1955; Saffran et al., 1955) där det stimulerar glukokortikoidsyntes och sekretion från binjurebarken (Turnbull och Rivier, 1997). Dess namn grundades trettio år före dess biokemiska identifiering på 1980-talet (Vale et al., 1981) medan dess genidentifierare i National Center for Biotechnology Information (NCBI) är CRH. Det är en 4.7-kilo-Dalton (kDa) peptid och består av 41-aminosyrarester. Neurosekretoriska neuroner i den paraventrikulära kärnan (PVN) i hypothalamus syntetiserar CRF (Meloni et al., 2005). CRF släpps sedan in i den afferenta portalblodkärlen till den främre hypofysen där det inducerar ACTH-frisättning i den systemiska cirkulationen. Den hypotalamiska hypofysen-binjurens (HPA) axeln regleras av negativ feedback från glukokortikoider som aktiverar glukokortikoidreceptorer specifikt i PVN och hippocampus. CRF uttrycks också utanför HPA-axeln för att kontrollera autonoma och beteendespons på stressorer (Palkovits et al., 1983; Swanson et al., 1983) inklusive stressinducerad återinförande av läkemedelssökning.

CRF förmedlar fysiologiska stressresponser genom att aktivera CRF-R1 och CRF-R2, som är fördelade över periferin och hjärnan (De Souza, 1995; Bale och Vale, 2004). Det antas att bindningen av CRF till CRF-R är en tvåstegsmekanism. Receptorns N-ände binder initialt till C-terminalen av CRF, som initierar en omarrangemang av receptorn (Grace et al., 2007). CRF-N-terminalen kontaktar de andra platserna på receptorn för att initiera cellulär signalering (Vale et al., 1981; Rivier et al., 1984) och följaktligen aktivera G-proteinet (Nielsen et al., 2000; Grace et al., 2004; Rijkers et al., 2004; Yamada et al., 2004; Hoare, 2005). CRF-systemet innefattar andra peptider med strukturell homologi med CRF. UCN 1 visar 45% sekvensidentitet med CRF och binder med hög affinitet till båda CRF-receptorsubtyper (Perrin et al., 1995), medan CRF binder med högsta affinitet till CRF-R1 (Vaughan et al., 1995; Burnett, 2005). UCN 2, även känd som stresscopinrelaterad peptid, och UCN 3, även känd som stresscopin binder specifikt till CRF-R2 (Hsu och Hsueh, 2001; Lewis et al., 2001; Reyes et al., 2001).

CRF-R1 har 415 aminosyrarester och det uttrycks i periferin och i CNS (Chang et al., 1993; Chen et al., 1993; Vita et al., 1993; Potter et al., 1994; Tsai-Morris et al., 1996; Sanchez et al., 1999; Van Pett et al., 2000). Kronisk stress medierad genom aktivering av CRF-R1 av CRF har associerats med utvecklingen av ångestbesvär (Arborelius et al., 1999); CRF-R1-antagonister har visat sig minska ångestliknande beteenden (Funk et al., 2007). Transgena möss med borttagning av CRF-R1 (CRF-R1 knock out (KO) -möss) har minskat reaktionen på både stress och ångest, för omfattande granskning se (Bale and Vale, 2004). Denna ångestdämpande effekt kan emellertid tillskrivas minskningen av cirkulerande glukokortikoider i prekliniska modeller (Tronche et al., 1999). En villkorlig KO-muslinje genererades för att differentiera beteendet från de neuroendokrina CRF-medierade CRF-R1-signalvägarna. Den selektiva inaktiveringen av de limbiska strukturerna, men inte av HPA-systemet har visat att CRF-R1 modulerar ångestliknande beteenden och det är oberoende av HPA (Muller et al., 2003). Dessutom tros CRF-R1 öka känsligheten för beteende med återfall av alkohol (Hansson et al., 2006; Heilig och Koob, 2007). En ny studie som utvärderade CRF: s roll både inom och utanför HPA har visat att CRF via CRF-R1-signalering kan ha motsatta effekter på stressrelaterad alkoholkonsumtion (Molander et al., 2012).

CRF-R2 har tre varianter: α, β och γ. A består av 411 aminosyrarester och p består av 413 – 418 aminosyrarester. Båda finns i hjärnan och periferin; emellertid finns CRF-R2β huvudsakligen i hjärtat och kärlsystemet (Lovenberg et al., 1995,b; Kimura et al., 2002; Burnett, 2005). Y-varianten är en mindre peptid som endast innehåller 397 aminosyrarester och finns endast i den mänskliga hjärnan (Kostich et al., 1998). CRF-R2s exakta roll i regleringen av stressresponsen är föremål för intensiv utredning. Studier av genetisk musmodell med radering av CRF-R2 (CRF-R2 KO-möss) har visat att CRF-aktivering av CRF-R2 kan leda till antingen ett ökat eller minskat svar på stressfaktorer (Bale et al., 2000, 2002; Coste et al., 2000; Kishimoto et al., 2000).

Avsaknaden av specifika antisera som stöder immunohistokemiska experiment och den låga upplösningen av ligandbindande tillvägagångssätt har begränsat studierna för att belysa CRF-Rs-fördelningen och begränsa analysen på mRNA-nivå. För att övervinna detta hinder har en transgen mus som rapporterar uttryck av CRF-R1 med grönt fluorescerande protein (GFP) framgångsrikt genererats och tillhandahåller ett nytt verktyg för att undersöka rollen för CRF-R1-signalering vid stressanpassning (Justice et al., 2008).

CRF-BP är ett vattenlösligt, 37 kD-protein och består av 322 aminosyrarester (Bale och Vale, 2004). Det är ett utsöndrat glykoprotein, lagras effektivt i sekretoriska granuler och frigörs i det extracellulära utrymmet genom exocytos (Blanco et al., 2011). Den innehåller aspargina oligosackarider av N-länkad typ som är kritiska för CRF-BP-bindning till CRF (Suda et al., 1989). Tidigare försök att identifiera små molekylinhibitorer av CRF-BP har gett begränsad framgång beroende delvis på den höga affiniteten (picomolar) av CRF-bindning till CRF-BP (Behan et al., 1995) och även för att CRF-BP i full längd (FL) är mottagliga för autokatalytisk proteolys (Woods et al., 1999). Den spontana proteolytiska klyvningen ger ett större N-terminalt fragment av 27 kD, CRF-BP (27 kD), som behåller bindningsstället för CRF och ett mindre, 9.6 kD C-terminal fragment, CRF-BP (10 kD) (Woods et al., 1999) utan uppenbar fysiologisk eller patologisk roll. Det unika klyvningsstället i CRF-BP (FL) har identifierats mellan aminosyrarester serin 234 och alanin 235. Framställningen av två fragment har gjort det extremt svårt att framgångsrikt rena tillräckliga mängder CRF-BP (FL) för att studera de fysiologiska egenskaperna hos det nativa proteinet. CRF-BP distribueras i plasma, fostervatten- och synovialvätska, moderkakan, hypofysen, levern och i flera distinkta hjärnregioner, inklusive hjärnbarken, hippocampus (Behan et al., 1995amygdala (Herringa et al., 2004) och VTA (Wang och Morales, 2008). I periferin neutraliserar cirkulerande CRF-BP de fysiologiska verkningarna av CRF (Kemp et al., 1998). På grund av den höga affiniteten med CRF antas det att CRF-BP spelar en buffertroll genom att minska mängden fri CRF. I hjärnan är emellertid CRF-BP mestadels membranbunden och uttrycks i olika mängder i neuroner och neuroglialceller (Behan et al., 1995b). Inom nervceller visade nyligen upptäckter att diskreta subpopulationer av VTA-dopaminerge och y-aminobutyric neurons (GABAergic) neuroner uttrycker CRF-BP (Wang och Morales, 2008). CRF-BPs fysiologiska roll i centrala nervsystemet (CNS) är fortfarande oklar. Teorier antyder dessutom möjligheten att CRF-BP kan hjälpa till att rensa CRF från kroppen och även kan skydda CRF från nedbrytning (Seasholtz et al., 2002). Genetiska musmodellstudier med borttagning av CRF-BP (CRF-BP KO-möss) har visat att det finns en ökning i ångestliknande beteende (Karolyi et al., 1999). Elektrofysiologiska studier har visat att CRF signalerar via CRF-R2 för att potentiera N-metyl-D-aspartat (NMDA) -medierade excitatoriska postsynaptiska strömmar (EPSC) i VTA (Ungless et al., 2003). Vidare, med användning av CRF (6 – 33), en peptid som tävlar med CRF på CRF-BP-bindningsstället, men inte binder till CRF-R2, visades det att den blockerade CRF-inducerad förstärkning av NMDAR-medierade EPSC: er (Ungless et al., 2003). Sammantaget antyder dessa resultat att CRF-BP har en mångfaldig roll i moduleringen av CRF-systemet. Som beskrivits av vitro och in vivo- studier som har renat human CRF-BP (FL) i tillräckliga mängder för utredning har hittills inte varit framgångsrika (Woods et al., 1997). Det har inte funnits några forskningsverktyg för att karakterisera rollen av CRF-BP i CNS genom att uttrycka CRF-BP på cellytan. Därför har det inte varit möjligt att avgöra om CRF-BP deltar specifikt i CRF-R2-signaleringen. En sammanfattning av involveringen av CRF-bindningen i beroendeframkallande beteende beskrivs i tabellen Table22.

Cellulärt engagemang av CRF i amygdala

Amygdala antas vara en ledande hjärnregion för känslomässigt svar och det är kritiskt för att ge affektiv uppmärksamhet till sensorisk information (Adolphs et al., 1994; LeDoux, 2003; Phelps och LeDoux, 2005). Negativa affektiva svar har studerats i specifika kärnor i amygdala genom att studera det konditionerade rädselssvaret (Davis, 1992,b). Amygdala är i stor utsträckning kopplad till andra limbiska regioner där den deltar i att integrera sensorisk och kognitiv information (LeDoux, 1992, 1993). Experimentella bevis tyder starkt på missbruk av läkemedel på detta system och kan modifiera synaptiska händelser särskilt under uttag. Medan VTA har associerats med de förstärkande effekterna av etanol (Gatto et al., 1994aktivering av GABAergic-systemet har associerats med alkoholens ångestdämpande effekt (Frye och Breese, 1982). Förutom de givande kretsarna för skalet från NAcc och hjärnregioner aktiverade av farmakologisk stressor, såsom yohimbin och fotskock, befanns de vara specifika i de basolaterala och centrala amygdalarkärnorna och bäddkärnan i stria terminalis (BNST) (Funk et al., 2006). Prekliniska studier visade att exponering och borttagande från etanol inducerar funktionella och biokemiska förändringar i amygdala hos råttor, vilket visar att denna krets är involverad i långsiktiga ökningar av ångestliknande beteende efter kronisk exponering av etanol (Christian et al., 2012).

Amygdala förmedlar konditionerade och okonditionerade svar på aversiv stimuli (Davis och Whalen, 2001) och det har undersökts med hjälp av Pavlovian rädsla-konditionering genom att para en konditionerad stimulans med en aversiv okonditionerad stimulans. Återexponeringen av den okonditionerade stimulansen framkallar ett konditionerat räcksvar som härrör från den konditionerade okonditionerade föreningen (Pitts et al., 2009). Associeringssignalen äger rum i den basolaterala amygdala (BLA) och överförs sedan till den centrala kärnan i amygdala (CeA) (McDonald, 1998; Maren 1999; Davis och Shi, 2000; Pitkanen et al., 2000; Pare et al., 2004). Denna överföringsprocess involverar både positiva och negativa föreningar.

Alla komponenter i CRF-systemet, CRF, CRF-R och CRF-BP uttrycks i amygdala (Potter et al., 1994). FDessutom är amygdala en viktig extrahypothalamisk källa för CRF-innehållande neuroner (Palkovits et al., 1983; Van Pett et al., 2000). Både BLA- och CeA-kärnor spelar en roll i stressresponsen (Richter et al., 1995; Merali et al., 1998; Koob och Heinrichs, 1999). Omfattande studier har visat att CRF-system deltar i minneskonsolidering som involverar BLA-CeA-kretsen (Roozendaal et al., 2002; Hubbard et al., 2007). Det har observerats att frisättning av CRF i amygdala ökas under akut tillbakadragande (Richter och Weiss, 1999); därför, det har antagits att CRF kan modulera synaptisk plasticitet med läkemedel framkallade (Ungless et al., 2001, 2003) och för en ny recension, se (Luscher och Malenka, 2011). Den neuronala grunden för negativ förstärkning är mindre väl förstått; men nyare beteendestudier har emellertid visat att CRF är kapabla att potentiera excitatoriska synaptiska strömmar via CRF-R1 i CeA två veckor efter avlägsnande av kokain (Pollandt et al., 2006).

En ny studie har visat att CRF-R1 specifikt har en dubbelriktad roll vid ångest (Refojo et al., 2011). Medan borttagning av CRF-R1 i dopaminerga nervceller i mitten av hjärnan ökar ångestliknande beteenden och minskar frisättningen av dopamin i det prefrontala cortexet, raderar CRF-R1 i det främre glutamanergiska nervnätverket för ångest och stör störningen i amygdala och hippocampus (Refojo et al., 2011).

CRF: s roll utvärderades också omfattande i frivillig etanolförbrukning med användning av genuttryck och genetisk variation i prekliniska modeller se (Bjork et al., 2010) för omfattande granskning. Hos etanolexponerade djur minskades etanolintaget genom administrering av CRF-R1-antagonist och testades med användning av farmakologiska interventioner som reducerar ångestliknande beteenden (Logrip et al., 2011; Zorrilla och Koob, 2012). Minskningen av etanolintaget observerades också i transgena möss med borttagande av CRF-R1 (CRF-R1 KO) (Chu et al., 2007). CRF-R1-antagonister minskar droguttagassocierad ångest och dämpar de negativa förstärkande effekterna av etanol förknippad med långvarig exponering av etanol (Ghitza et al., 2006; Marinelli et al., 2007; Li et al., 2007; Koob och Le Moal, 2008b; Richards et al., 2008). CRF-R1-hämmare har visat att dämpa stressinducerat återfall till kokain och heroin hos utbildade djur (Shaham et al., 1998) och för att minska stressinducerad återinförande och stressinducerad återaktivering av konditionerad platspreferens i många beroendeframkallande läkemedel (Koob och Zorrilla, 2010).

Intresset om intressekonflikter

Författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.