DeltaFosB:成瘾的持续分子开关(2001)

评论:由于后来的研究将揭示DeltaFosB是药物和行为成瘾的常见分子开关。 这是一个转录因子,意味着它会影响打开或关闭哪些基因。 如其他地方所述,成瘾性药物只会劫持正常机制。 这就是为什么建议行为成瘾不存在很愚蠢的原因。


 全面研究

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德克萨斯大学西南医学中心精神病学和基础神经科学中心,5323 Harry Hines Boulevard,Dallas,TX 75390-9070

抽象

表征吸毒成瘾的一些行为异常的持续时间表明,神经基因表达的调节可能涉及滥用药物导致成瘾状态的过程。 一世越来越多的证据表明,转录因子ΔFosB代表了一种机制,通过这种机制,滥用药物会在大脑中产生相对稳定的变化,从而导致成瘾表型。 ΔFOSBFos转录因子家族的成员在重复施用多种滥用药物后,在伏隔核和背侧纹状体(对于成瘾重要的脑区域)的神经元内积聚。 在强迫跑步后发生类似的ΔFosB累积,这表明ΔFosB可能在许多类型的强迫行为中积累。 重要的是,ΔFosB由于其非凡的稳定性而在神经元中持续相当长的时间。 因此,ΔFosB代表了一种分子机制,可以启动并维持基因表达的变化,这种变化在药物暴露停止后很长时间内持续存在。 过量表达ΔFosB或蛋白质的显性负性抑制剂的诱导型转基因小鼠的研究提供了直接证据,即ΔFosB引起对滥用药物的行为影响的敏感性增加,并且可能增加药物寻求行为。 这项工作支持这样的观点,即ΔFosB作为一种持续的“分子开关”起作用,逐渐将急性药物反应转化为相对稳定的适应性,这有助于长期成瘾的长期神经和行为可塑性。

成瘾研究的重点是了解滥用药物改变大脑导致成瘾行为异常的复杂方式。 该领域的关键挑战之一是确定相对稳定的药物引起的大脑变化,以解释那些特别长寿的行为异常。 例如,即使经过多年的禁欲,人类成瘾者的复发风险也会增加。

这些行为异常的稳定性导致了这样的建议,即它们可能至少部分地通过基因表达的变化(1-3)介导。 根据这种观点,反复暴露于滥用药物会反复扰乱大脑中对药物敏感的特定突触的传播。 这种扰动最终通过细胞内信使级联反应到细胞核,在那里它们首先启动然后维持特定基因表达的变化。 信号转导途径影响基因表达的主要机制是转录因子的调节,这些蛋白质与基因的调节区域结合并修饰它们的转录。

因此,成瘾研究的一个目标是识别在长期施用滥用药物后在与成瘾有关的大脑区域中改变的转录因子。 在过去的十年中已经鉴定了几种这样的转录因子(1-6)。 本综述的重点是一种称为ΔFosB的特定转录因子。

滥用药物诱导ΔFosB

由fosB基因编码的ΔFosB是转录因子Fos家族的成员,其还包括c-Fos,FosB,Fra1和Fra2(7)。 这些Fos家族蛋白与Jun家族蛋白(c-Jun,JunB或JunD)异二聚体形成活性AP-1(激活蛋白-1)转录因子,其与AP-1位点(共有序列:TGAC / GTCA)结合。某些基因的启动子调节它们的转录。

在急性施用许多滥用药物后,这些Fos家族蛋白在特定脑区迅速且瞬时诱导(图1)(8-11)。 突出的区域是伏隔核和背侧纹状体,它们是对药物的行为反应的重要介质,特别是它们的奖赏和运动激活作用(12,13)。 这些蛋白质在给药后数小时内恢复到基础水平。

 

 

图1

方案显示ΔFosB逐渐积累与其他Fos家族蛋白对滥用药物的反应的快速和瞬时诱导。 (A)放射自显影图显示了通过急性刺激(单次药物暴露后1-2小时)与慢性刺激(重复药物暴露后1天)的这些不同蛋白质的差异诱导。 (B)几种Fos样蛋白质波[由c-Fos(52-至58-kDa同种型),FosB(46-至50-kDa同种型),ΔFosB(33-kDa同种型)和Fra1或Fra2组成)通过急性施用滥用药物在伏隔核和背侧纹状体神经元中诱导40 kDa)。 还诱导了生物化学修饰的ΔFosB同种型(35-37 kDa); 它们也在急性给药后诱导(尽管水平较低),但由于其稳定性而长期存在于大脑中。 (C)通过重复(例如,每天两次)给药,每种急性刺激诱导低水平的稳定ΔFosB同种型,其由较低的重叠线组表示,其指示由每种急性刺激诱导的ΔFosB。 结果是在长期治疗过程中反复刺激的ΔFosB总水平逐渐增加,这通过图中增加的阶梯线表示。

长期滥用药物后可见非常不同的反应(图1)。 在反复药物暴露后,生物化学修饰的ΔFosB同种型(分子量35-37 kDa)在相同脑区内积累,而所有其他Fos家族成员显示耐受性(即,与初始药物暴露相比诱导减少)。 已观察到可卡因,吗啡,苯丙胺,酒精,尼古丁和苯环素的ΔFosB累积e(11,14-18)。 有证据表明,这种诱导对位于这些大脑区域(15,17)的中型多刺神经元的强啡肽/含P物质子集具有选择性,尽管需要更多的工作来确定这一点。 ΔFosB的35-至37-kDa同种型主要与JunD二聚化,以在这些脑区域内形成活性且持久的AP-1复合物(19,20)。 这些ΔFosB同种型由于其极长的半衰期(21)而在慢性药物暴露下累积,因此在停止给药后至少数周内在神经元中持续存在。 值得注意的是,这些ΔFosB同种型是立即早期基因(fosB)的高度稳定的产物。 ΔFosB同种型的稳定性提供了一种新的分子机制,通过该机制,尽管相对长时间的药物戒断,药物诱导的基因表达变化仍可持续。

虽然伏隔核在滥用药物的奖赏效应中起着关键作用,但据信它通过调节对天然强化物的反应而正常发挥作用,例如食物,饮料,性别和社会交往(12,13)。 因此,人们对这个大脑区域在其他强迫行为(例如病态暴饮暴食,赌博,运动等)中的可能作用存在相当大的兴趣。 为此,我们检查了ΔFosB是否在强迫性运动的动物模型中受到调节。 实际上,ΔFosB的稳定35-至37-kDa同种型在大鼠伏核中选择性诱导,显示出强迫性运行行为。†

稳定ΔFosB同种型的生化鉴定

如上所述,在长期施用滥用或强迫运行药物后累积的ΔFosB同种型显示35-37 kDa的分子量。 它们可以与ΔFosB的33-kDa同种型区分开来,其在单次药物暴露后快速但瞬时诱导(图1)(14,19,22)。 目前的证据表明,33-kDa同种型是蛋白质的天然形式,其被改变以形成更稳定的35-至37-kDa产物(19,21)。 然而,将不稳定的33-kDa同种型转化为稳定的35-至37-kDa同种型的生物化学修饰的性质仍然模糊不清。 据推测,磷酸化可能是原因(11)。 例如,在缺乏DARPP-32(一种富含纹状体的蛋白质(23,24))的小鼠中,ΔFosB的诱导减弱。 因为DARPP-32调节蛋白磷酸酶-1和蛋白激酶A(25,26)的催化活性,所以这种蛋白质对稳定ΔFosB同种型的正常积累的需求表明磷酸化可能在这些稳定产物的产生中起作用。

ΔFosB在滥用药物行为可塑性中的作用

了解ΔFosB在药物成瘾中的作用主要来自转基因小鼠的研究,其中ΔFosB可在伏隔核和成年动物的其他纹状体区域内选择性诱导(27,28)。 重要的是,这些小鼠选择性地在含有强啡肽/物质P的中型多刺神经元中过度表达ΔFosB,其中药物被认为诱导蛋白质。 在表1中总结了ΔFosB过表达小鼠的行为表型,其在许多方面类似于慢性药物暴露后的动物。 小鼠在急性和慢性给药后显示出对可卡因的增强的运动反应(28)。 它们还显示出对可卡因和吗啡在地方调理试验(11,28)中的有益效果的增强敏感性,并且将比不过度表达ΔFosB的同窝出生者自我施用更低剂量的可卡因。‡相反,这些动物表现出正常的条件运动在Morris水迷宫(28)中对可卡因敏感和正常的空间学习。 Ť这些数据表明,ΔFosB可以提高动物对可卡因和其他滥用药物的敏感性,并且可能代表了相对较长时间对药物过敏的机制.

表1
伏隔核 - 背侧ΔFosB介导的行为可塑性纹状体

 

响应于急性和重复的可卡因给药,增加的运动激活。
在地方调理分析中增加对可卡因和吗啡的奖赏反应。
增加低剂量可卡因的自我管理。
在渐进比例测定中增加可卡因的动机。
增加对酒精的抗焦虑反应。
强迫性的跑步行为增加。

根据参考文献中的数据。 2829.†‡§¶

 

由伏隔核 - 背侧纹状体中的ΔFosB介导的行为可塑性

I此外,有初步证据表明,ΔFosB的作用可能远远超出对药物敏感性本身的调节,而不是与成瘾过程相关的更复杂的行为。 表达ΔFosB的小鼠在进行性比例自我给药测定中更加努力地自我施用可卡因提示ΔFosB可能使动物对可卡因的激励动机敏感,从而导致药物撤出后复发的倾向l。表达ΔFosB的小鼠也表现出增强的酒精抗焦虑作用,这是一种与人类饮酒量增加有关的表型。 总之,这些早期研究结果表明,ΔFosB除了增加对滥用药物的敏感性外,还会促进寻求药物行为的行为发生质的变化。 因此,ΔFosB可以起到持续的“分子开关”的作用,其有助于启动并保持上瘾状态的关键方面。 目前调查中的一个重要问题是,即使在ΔFosB水平正常化后,即使在ΔFosB水平正常化后,药物暴露期间ΔFosB积累是否会促进寻求药物的行为(见下文)。

成人 与对照同窝小鼠相比,伏隔核和背侧纹状体中选择性过度表达ΔFosB的小鼠也表现出更大的强迫性运动。†这些观察结果提出了这些神经元中ΔFosB积累在习惯记忆和强迫症的形成和维持中发挥更普遍作用的有趣可能性。行为,也许通过增强神经回路的功效,其中神经元功能。

在慢性接触可卡因后,ΔFosB在伏隔核和背侧纹状体外的某些脑区积聚。 其中突出的是 区域是杏仁核和内侧前额叶皮层 (15)。 当前研究的主要目标是了解这些区域中ΔFosB诱导对成瘾表型的贡献。

早期对fosB基因敲除小鼠的研究表明,这些动物无法对可卡因的运动作用产生敏化作用,这与上述ΔFosB过表达的小鼠的发现一致(22)。 但是,fosB突变体对可卡因的急性作用显示出更高的敏感性,这与这些其他发现不一致。 但是,由于这些动物不仅缺乏ΔFosB,而且缺乏全长FosB,因此对fosB突变体的发现解释变得复杂。 而且,突变体在整个大脑中以及从发育的最早阶段都缺乏这两种蛋白质。 确实,更多的最新研究支持了ΔFosB过表达小鼠的结论:截短的c-Jun突变体的诱导型过表达,该突变体作为ΔFosB的主要负拮抗剂,选择性地伏伏在伏隔核和背侧纹状体中,显示出对可卡因奖励作用的敏感性降低这些发现强调了在解释具有组成型突变的小鼠的结果时必须谨慎的态度,并说明具有诱导型和细胞类型特异性突变的小鼠在成年大脑可塑性研究中的重要性。

ΔFosB的目标基因

因为ΔFosB是转录因子,推测该蛋白质通过改变其他基因的表达而引起行为可塑性。 ΔFosB通过fosB基因的可变剪接产生,并且缺少全长FosB中存在的一部分C-末端反式激活结构域。 结果,最初提出ΔFosB起转录抑制因子(29)的作用。 然而,细胞培养的工作已经清楚地证明了ΔFOSB 可以诱导或抑制 AP-1介导的转录取决于所用的特定AP-1位点(21,29-31)。 全长FosB对某些启动子片段发挥与ΔFosB相同的作用,但对其他启动子片段具有不同的作用。 需要进一步的工作来理解ΔFosB和FosB的这些不同行为背后的机制。

我们的小组使用了两种方法来识别ΔFosB的靶基因。 一种是候选基因方法。 鉴于谷氨酸能传递在伏隔核中的重要作用,我们最初认为α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(AMPA)谷氨酸受体是推定的靶标。 迄今为止的工作表明,一个特定的AMPA谷氨酸受体亚基GluR2可能是ΔFosB的真正靶标(图2)。 ΔFosB的过表达会在伏伏核中增加GluR2的表达,但不会增加其他AMPA受体亚基的表达(但不会增加背侧纹状体)(28),显性负突变体的表达会减弱可卡因诱导蛋白质的能力.¶此外,GluR2基因的启动子包含一个与ΔFosB结合的共有AP-1位点(28)。 通过使用病毒介导的基因转移,伏伏核中GluR2的过表达增加了动物对可卡因奖励作用的敏感性,从而模仿了表达ΔFosB的小鼠中见到的部分表型(28)。 长期服用可卡因后,GluR2的诱导可解释伏伏核神经元对AMPA受体激动剂的电生理敏感性降低(32),因为含GluR2的AMPA受体显示出总体电导降低和Ca2 +渗透性降低。 这些神经元对兴奋性输入的反应性降低可能会增强对滥用药物的反应。 然而,伏隔核中多巴胺能和谷氨酸能信号调节成瘾行为的方式仍然未知。 这将需要对神经回路的了解,但尚不可用。

 图2

AMPA谷氨酸受体亚基GluR2是ΔFosB的假定靶标。 显示了ΔFosB介导的GluR2诱导如何改变伏伏核神经元的生理反应性并导致对滥用药物的敏感反应。 根据该方案,滥用药物通过抑制伏伏核神经元产生其急性增强作用。 反复暴露后,药物会诱导ΔFosB,后者可调节众多靶基因,包括GluR2。 这增加了包含GluR2亚基的伏伏核神经元上AMPA受体(AMPA-R)的比例,从而导致总AMPA电流降低和Ca2 +电流降低。 这种降低的兴奋性可能使神经元对药物的急性抑制作用更加敏感,从而对药物的增强作用更加敏感。.

ΔFosB的另一个推定靶标是编码强啡肽的基因. 如前所述,强啡肽在伏隔核中型多刺神经元的子集中表达,显示ΔFosB的诱导. 强啡肽似乎在细胞间反馈环中起作用:它的释放通过伏隔核中多巴胺能神经末梢上存在的κ阿片受体以及腹侧被盖区中的细胞体和树突抑制支配中型多刺神经元的多巴胺能神经元。 (图3)(33-35)。 该想法与κ受体激动剂在施用于这两个脑区域中的任一个中以减少药物再加热的能力一致d(35)。

R最近的研究表明,ΔFosB可以降低强啡肽的表达,这有助于增强ΔFosB诱导的奖赏机制。 有趣的是,另一种药物调节的转录因子CREB(cAMP反应元件结合蛋白)(2,3)发挥相反的作用:它在伏隔核中诱导强啡肽的表达并降低可卡因和吗啡的有益特性。 (4)。**

B药物给药后,药物诱导的CREB活化迅速消失,CREB和ΔFosB对强啡肽的相互调节可以解释戒断早期和晚期发生的相互行为变化,在早期阶段以负面情绪症状和药物敏感性降低为主。退出,并对在以后时间点占主导地位的药物的奖励和激励动机效应敏感。

 

 

图3

 强啡肽是ΔFosB的推定靶标。 所示为腹侧被盖区(VTA)多巴胺(DA)神经元,其支配一类伏隔核(NAc)GABA能神经元,其表达强啡肽(DYN)。 强啡肽在该回路中起反馈机制:从NAc神经元末端释放的强啡肽作用于位于神经末梢和DA神经元细胞体上的κ阿片受体,以抑制其功能。 ΔFOSB通过抑制强啡肽的表达,可以下调这种反馈循环,增强滥用药物的奖赏特性。 未显示CREB对该系统的相互作用:CREB增强强啡肽的表达,从而削弱滥用药物的奖赏性质 (4)。 GABA,γ-氨基丁酸; DR,多巴胺受体; 或者,阿片受体。

用于识别ΔFosB的靶基因的第二种方法涉及DNA微阵列分析。 ΔFosB的诱导性过表达增加或减少伏伏核中众多基因的表达(36)。 尽管现在需要大量工作来验证这些基因中的每一个作为ΔFosB的生理靶标并了解它们对成瘾表型的贡献,但一个重要的靶标似乎是Cdk5(细胞周期蛋白依赖性激酶5)。 因此,Cdk5最初被鉴定为通过使用微阵列调节的ΔFosB,后来证明是在长期服用可卡因后在伏隔核和背侧纹状体中诱导产生的(37)。 ΔFosB通过存在于基因启动子中的AP-5位点激活cdk1基因(36)。 这些数据共同支持了一种方案,其中可卡因通过ΔFosB诱导这些大脑区域中的Cdk5表达。 诱导Cdk5似乎至少部分地通过增加DARPP-32的磷酸化来改变多巴胺能信号传导(37),当DARPP-1被Cdk5磷酸化时,它会从蛋白磷酸酶-26的抑制剂转变为蛋白激酶A的抑制剂(XNUMX)。

ΔFosB在调节滥用药物“永久性”可塑性中的作用

虽然ΔFosB信号的寿命相对较长,但并不是永久性的。 尽管某些行为异常持续的时间长得多,但ΔFosB逐渐降解并且在1-2药物戒断后数月内不能再在大脑中检测到。 因此,ΔFosB本身似乎不能介导这些半永久性的行为异常。 寻找与成瘾相关的极其稳定的行为变化的分子适应性的困难类似于学习和记忆领域中面临的挑战。 尽管存在优雅的细胞和分子学习和记忆模型,但迄今为止尚无法确定足够长寿的分子和细胞适应性来解释高度稳定的行为记忆。 实际上,ΔFosB是已知存在于成年大脑中的寿命最长的适应,不仅是对滥用药物的反应,也是对其他任何扰动(不涉及病变)的反应。 为了解决这一差异,在成瘾,学习和记忆领域都提出了两个建议。

一种可能性是基因表达的更短暂的变化,例如通过ΔFosB或其他转录因子(例如,CREB)介导的那些, 可能介导神经元形态和突触结构的长期变化。 例如, 伴随着树突棘密度的增加(尤其是双头刺的增加) 增加谷氨酸能突触的功效 在长期增强期间的海马锥体神经元(38-40),并且与伏隔核(41)的中型多刺神经元水平介导的对可卡因的增强的行为敏感性相似。 目前尚不清楚这种结构变化是否足够长寿以解释行为的高度稳定变化,尽管后者持续至少1月停药。 最近的证据提出ΔFosB及其诱导Cdk5的可能性是伏隔核中突触结构药物诱导变化的一种介导(图4)。‡‡因此,将一种Cdk5抑制剂注入伏隔核可防止重复可卡因暴露的能力增加该地区的树突棘密度。 这与富含大脑的Cdk5调节神经结构和生长的观点是一致的(参见参考文献36和37)。 尽管未经证实,但神经元形态的这种变化可能比ΔFosB信号本身更长。

 图4

滥用药物对树突结构的调节。 如图所示,伏伏核和前额叶皮层中的可卡因已经观察到,长期暴露于滥用药物后,神经元的树突状树扩张。 放大区域显示出树突棘的增加,据推测是与激活的神经末梢一起发生的。 树突状脊柱密度的这种增加可能是通过ΔFosB和随之而来的Cdk41诱导介导的(见文本)。 类似于某些学习模型中观察到的树突结构改变(例如,长期增强),可以介导对滥用药物或环境提示的长期敏感反应。 [转载自参考文献的许可。 5(版权,3年,Macmillian Magazines Ltd.)]。

另一种可能性是瞬时诱导转录因子(例如,ΔFosB,CREB) 通过修饰染色质,导致基因表达的更多永久性变化ñ。 认为这些和许多其他转录因子通过分别促进基因附近组蛋白(42)的乙酰化或去乙酰化来激活或抑制靶基因的转录。 尽管组蛋白的这种乙酰化和脱乙酰化显然可以非常快速地发生,但ΔFosB或CREB可能在控制组蛋白乙酰化的酶促机制中产生更持久的适应性。 ΔFosB或CREB还可以通过调节染色质的其他修饰(例如DNA或组蛋白甲基化)来促进基因表达的长寿命变化,这些修饰与发育过程中发生的基因转录的永久性变化有关(参见参考文献42和43) 。 虽然这些可能性仍然是推测性的,但它们可以提供一种机制,通过这种机制,对滥用药物(或其他一些扰动)的短暂适应会导致基本上终生的行为后果。

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