Эпигенетика кокаиновой зависимости - Epigenetics of cocaine addiction - Wikipedia

Кокаиновая зависимость компульсивное употребление кокаина, несмотря на неблагоприятные последствия. Он возникает в результате эпигенетической модификации (например, через HDAC, сиртуин, и G9a ) и регуляции транскрипции (прежде всего через ΔFosB с Комплекс АП-1 ) генов в прилежащее ядро.

Транскрипционные и эпигенетические механизмы

Роль ингибиторов HDAC в кокаиновой зависимости

Ингибиторы гистон-деацетилазы (Ингибиторы HDAC) считаются потенциальным средством лечения кокаин наркоманы. HDAC ферменты, которые могут деацетилировать гистоны связаны с генами. Это может активировать гены транскрипции. Несколько экспериментов показали, что ингибирование HDAC, вовлеченных в гистон H3K9 деацетилирование снижает поведение, связанное с поиском наркотиков.

Было известно, что эпигенетическая регуляция, такой как метилирование H3K9, играют ключевую роль в механизме зависимость. Недавние исследования показали, что прием ингибиторов HDAC может помочь уменьшить тягу к кокаину у крыс.^[1] Трихостатин А (TsA) - ингибитор HDAC, связанный с уменьшением кокаинового поведения; он ингибирует HDAC классов 1, 3, 4, 6 и 10. Поскольку этот ингибитор HDAC оказывает такое значительное влияние на поведение, связанное с поиском кокаина, ученые высказывали предположения об их способности снижать риск рецидива у кокаиновой зависимости в модельной системе крыс во время реабилитация

После нескольких тестов, в которых крысы подвергались воздействию кокаина с последующим введением либо ингибитора HDAC, либо плацебо, было обнаружено, что ингибиторы HDAC оказали значительное влияние на снижение поведения, связанного с поиском кокаина.^[1] Это также указывает на эпигенетический механизм, участвующий в регуляции хроматина HDAC. Эти данные имеют решающее значение для доказательства гипотезы о том, что трихостатин А может ремоделировать структуру хроматина и предотвращать изменения поведения после воздействия кокаина. Тесты также показали, что введение ингибитора HDAC может не только предотвратить зависимость, но также помогает снизить риск рецидива у кокаиновых наркоманов в модельной системе на крысах.^[1]

Роль HDAC5

Как показывают предыдущие результаты, хроническое употребление кокаина вызвало оба изменения в активности ремоделирования хроматина HDAC и поведение, связанное с поиском наркотиков. Renthal et al.^[2] особое внимание уделяется гистондеацетилаза класса II, HDAC5, так как известно, что он имеет зависимую от активности регуляцию в нейронах. Фактически, они обнаружили, что HDAC5 был центральным регулятором действий хронического употребления кокаина и вносил свой вклад в поведенческие адаптации своей деацетилазной активностью. Хронические инъекции кокаина увеличивают HDAC5 фосфорилирование на Ser259 в прилежащее ядро (NAc) в течение 30 минут. Это обеспечивает сайты стыковки для белков 14-3-3, которые опосредуют экспорт HDAC5 из ядра. Они также обнаружили, что CaMKII был необходим для индуцированного деполяризацией фосфорилирования HDAC5 в ткани NAc, что подчеркивает его роль в качестве киназа для HDAC5. Эксперименты с мутантные белки и ингибиторы HDAC предполагают, что действие HDAC5 опосредуется его каталитическим доменом гистондеацетилазы. Быстрое фосфорилирование и экспорт HDAC5 из ядра после употребления кокаина, скорее всего, приводит к усилению «импульсов» ацетилирования, целевой активации генов и поведенческой адаптации к длительному воздействию кокаина.

Вторая серия экспериментов, проведенных Ренталем и соавт.^[2] выполненные исследования показали, что хроническое употребление кокаина вызывает усиление регуляции NK₁ рецептор белка у мышей с нокаутом HDAC5, который связан с гиперацетилированием H3 на промоторе гена NK1R. Промотор гена NK1R был связан с усиленной реакцией на вознаграждение за кокаин, а это означает, что HDAC5 в нормальных геномах может уменьшить вознаграждение за кокаин при хроническом воздействии кокаина. Они также обнаружили ключевые пути, которые были задействованы в нейронной пластичности и поведении за вознаграждение, в том числе: Рецептор DA сигнализация, ATF2 /CREB сигнализация, NF-κB, NFAT, ремоделирование цитоскелета белки и ионные каналы. Их данные замешаны хроматин ремоделирование как механизм, который управляет активацией измененных генов и поведенческими реакциями на кокаин. Используя это, они смогли сделать вывод, что в нормальных геномах (дикого типа) реакция на хронический кокаин включает фосфорилирование HDAC5 и экспорт деацетилазы из ядра для активации последующих генов-мишеней. Между воздействием и через 24 часа после этого HDAC5 возвращается в ядро клетки, чтобы ограничить экспрессию этих регулируемых кокаином генов с помощью деацетилирование гистонов. Их эксперименты с мышами, нокаутированными по HDAC5, подтвердили эту гипотезу. Поскольку HDAC5 не ограничивает экспрессию гена, он начинает накапливаться при многократном воздействии кокаина, в результате чего повышается чувствительность к кокаиновому вознаграждению.

Изменения в критических модификациях H3K9me3

Изменения в гистоны такие как метилирование и ацетилирование, могут изменять паттерны экспрессии генов путем активации или деактивации области ДНК для транскрипция. В H3K9 Несколько исследований показали, что при хроническом употреблении кокаина положение меняется.

Аддиктивное поведение, наблюдаемое у людей, длительно употребляющих кокаин, может быть связано с изменениями профилей экспрессии генов в цепи вознаграждения мозга. Большинство исследований было сосредоточено на активных областях генов, связанных с вознаграждением, но Maze et al.^[3] сосредотачивается на том, что происходит с гетерохроматические области. Maze et al.^[3] показали, что гетерохроматические области в прилежащее ядро (NAc), основная цепь вознаграждения в мозге, значительно изменены в позиции H3K9me3. Острое воздействие кокаина приводит к быстрому увеличению H3K9me3 в течение получаса и снижается до нормального уровня в течение 24 часов. Хроническое воздействие кокаина приводит к более медленному увеличению H3K9me3 в течение часа (хотя к этому времени он достигает того же уровня, что и острый) и к снижению на 50% от нормального исходного уровня в течение 24 часов. Это хроническое воздействие было предложено для уменьшения гетерохроматизации (дестабилизации) в этой области мозга у пациентов, подвергшихся многократному воздействию кокаина, что подразумевает, что этот эпигенетический знак влияет на долгосрочное аддиктивное поведение. Они использовали ChIP-seq чтобы предоставить подтверждающие доказательства того, что модификация H3K9me3 в основном локализована в межгенные области. В этих областях генома 17 областей повторяющиеся элементы (СИНУСЫ, ЛИНИИ, LTR и др.) имели значительные изменения состояния H3K9me3 в моделях мышей с хроническим воздействием кокаина. Они использовали количественная ПЦР чтобы определить, что из этих важных элементов, область LINE-1 показала значительное увеличение уровней экспрессии. СТРОКА 1 это ретротранспозон, поэтому его ненадлежащая экспрессия может активировать транспозон, чтобы встраиваться в важные гены и дестабилизировать ДНК. Они завершают свои выводы, предполагая, что вставки ретротранспозона LINE-1 вызывают несоответствующую или нарушенную экспрессию генов, приводящую к аддиктивное поведение.

Роль G9a в изменениях модификации H3K9me2

Как и Maze et al.,^[3] исследования Covington et al.^[4] сосредоточены на модификации гистонов в прилежащем ядре. Они предполагают, что модификация H3K9me2 в этой области мозга играет роль в стресс и депрессия путь. Их идея заключалась в том, что кокаин изменяет эту эпигенетическую метку и что она увеличивает уязвимость наркомана к стрессу и депрессии, что приводит к вызывающим привыкание эффектам этих реагентов. А метилтрансфераза, G9a, было обнаружено, что экспрессия в прилежащем ядре у кокаиновых наркоманов снижена, что приводит к снижению уровня H3K9me2. Гены, которые не заглушаются ацетилированием гетерохроматина, аномально экспрессируют гены, участвующие в BDNF -TrkB -CREB сигнальный путь. Это вызывает усиленное фосфорилирование CREB ниже по ходу пути. CREB вызывает усиленное ацетилирование и нарушение регуляции сигнальных путей стресса и депрессии.

Кокаин вызывает эпигенетические изменения, которые приводят к морфология нейронов и поведенческие изменения. Большинство изменений связано с нарушением гетерохроматин вызвано сниженным уровнем метилирования гистонов, а именно H3K9. Это снижение опосредовано репрессией G9a, a гистон-лизин-N-метилтрансфераза который регулируется ΔFosB. ΔFosB - это индуцированный кокаином фактор транскрипции, который накапливается в прилежащем ядре (NAc) и действует, подавляя G9a. Когда ΔFosB сверхэкспрессируется, уровни G9a снижаются, а уровни диметилирования H3K9 снижаются в NAc. Maze et al.^[5] был заинтересован в определении того, как пониженный уровень влияет на поведение потребителей кокаина. Было проведено несколько исследований на крысах, и был сделан вывод, что сверхэкспрессия G9a и, следовательно, присутствие диметилирования H3K9 вызывают снижение предпочтения кокаина у крыс.^[5] Затем исследователи изучили ядерный объем крыс, подвергшихся воздействию кокаина, и обнаружили, что подавление G9a увеличивает количество дендритные шипы в прилежащем ядре, что приводит к усиленному поиску кокаина.

Только в прилежащем ядре уровни G9a имеют значение для кокаиновой зависимости. Были проведены исследования, в которых уровни G9a и H3K9me2 были изменены в других областях мозга, но эти другие места не влияли на поведение крыс в поисках кокаина.

Исследования экспрессии генов в мезолимбическом пути

Роль сиртуин деацетилазы также играют роль в опосредовании кокаиновой зависимости.^[6] Чтобы определить их роль, сначала необходимо было проанализировать два упомянутых ранее фактора транскрипции, ΔFosB и CREB. Ранее было заявлено, что ΔFosB увеличивает стремление потребителей к кокаину. Это связано с тем, что ΔFosB имеет уникальную стабильную структуру, которая позволяет ему сохраняться и накапливаться в организме. В отличие от ΔFosB, CREB отвечает за снижение чувствительности к кокаину, который вызывает негативные симптомы в период отмены. Каждый из этих факторов транскрипции увеличивает склонность наркоманов к поиску кокаина. Как только эта связь между факторами транскрипции была установлена, исследователям стало любопытно, вызывают ли другие гены также аддиктивное поведение, и исследовали те, которые были значимыми маркерами кокаиновой зависимости, одним из которых был сиртуин генная семья. Сиртуины зависят от НАД класса III. гистоновые деацетилазы. Сиртуины не только деацетилируют гистоны, но также ответственны за деацетилирование тубулин, p53, и НФКБ. Несколько исследований изучали роль сиртуинов в поведении, связанном с поиском кокаина. В одной серии экспериментов было обнаружено, что значительное увеличение ΔFosB в прилежащем ядре привело к связыванию ΔFosB с SIRT2 промоутер.^[5] Это повышенное связывание вызвало ацетилирование H3 что связано с увеличением мРНК Sir2. Было также обнаружено, что ацетилирование H3, индуцированное кокаином, увеличивает Sirt1 в прилежащем ядре. Таким образом, повторное употребление кокаина вызывает увеличение как Sirt1, так и Sirt2. Затем ученых интересовало, насколько увеличилось Sirt1 и Sirt2 влияет на объем ядра, потому что ранее было показано, что повторное употребление кокаина оказывает такое влияние. Ученые, изучающие Sirt1 и Sirt2, также обнаружили, что эти факторы транскрипции приводят к увеличению объема ядра. Таким образом, был сделан вывод, что ΔFosB, CREB, Sirt1 и Sirt2 все играют важную роль в поведении, связанном с поиском кокаина.

Kumar et al.^[7] сосредоточены на том, как острое и хроническое воздействие кокаина влияет на полосатое тело, которая является еще одной областью мозга, участвующей в поощрении и локомоторных путях. Чтобы изучить молекулярное действие кокаина в этой области, исследователи изучили гистоновые модификации трех различных промоторов: cFos, BDNF, и Cdk5. Они видели это cFos, который обычно выражается сразу после потенциалов действия нейронов, имел высокие уровни H4 ацетилирование в течение 30 минут после инъекции кокаина - но никаких модификаций гистонов при хроническом употреблении кокаина не наблюдалось. Эти результаты свидетельствуют о том, что этот промотор активируется при остром употреблении кокаина и, возможно, означает, что нейроны, которые он регулирует быстро, во время острого воздействия кокаина, не влияют на длительное употребление. BDNF играет важную роль в регуляции лекарственной зависимости, а Cdk5 участвует в регуляции распространение клеток гены. Оба этих промотора были вызваны хроническим употреблением кокаина (гиперацетилирование H3). Изменение естественного состояния ацетилирования этих промоторов у лиц, употребляющих кокаин в острой и хронической форме, изменило локомоторную реакцию и реакцию на кокаин. Это говорит о том, что поведенческая активность, наблюдаемая у потребителей кокаина, может быть отчасти связана с модификациями гистонов на этих промоторных сайтах.

McClung et al.^[8] обсудить профили экспрессии генов ранее упомянутых CREB и ΔFosB, поскольку они участвуют в употреблении кокаина. Было показано, что эти факторы транскрипции играют роль в краткосрочных и долгосрочных адаптивных изменениях в головном мозге. CREB участвует в обучении, памяти и депрессии и обогащается у потребителей кокаина в прилежащем ядре. CREB, по-видимому, активирует многие гены на своем пути в областях вознаграждения мозга и, похоже, снижает полезные эффекты кокаина и вместо этого приводит к депрессивному поведению. Изменения экспрессии генов, вызванные CREB, вызваны краткосрочным лечением кокаином и в конечном итоге возвращаются к норме. Они также сосредоточились на ΔFosB, который относится к семейству белков FosB. Хотя большинство этих белков вовлечены в краткосрочные изменения экспрессии генов злоупотребления, McClung et al.^[8] продемонстрировали, что изменения экспрессии гена ΔFosB в NAc были вызваны краткосрочным и долгосрочным воздействием кокаина. Кратковременное воздействие кокаина привело к тем же профилям экспрессии усиленных генов, что и CREB, что привело к уменьшению наблюдаемых эффектов вознаграждения. Однако длительное воздействие приводит к другому профилю экспрессии, что приводит к усилению положительных эффектов. Они предположили, что ΔFosB действует как репрессор и каким-то образом взаимодействует с путем CREB и косвенно приводит к таким же краткосрочным эффектам, но со временем действует, повышая регуляцию генов в своем собственном пути, что приводит к усилению положительных эффектов. Неизвестно, как эти два пути взаимодействуют, но они показали, что есть некоторое перекрытие.

Модификации экспрессии генов путей дофаминового рецептора

В белковые пути CREB-Fos также вовлечены рецептор дофамина D1 (DRD1), выраженный в нейронах прилежащее ядро и хвостатая скорлупа регионы. Zhang et al. сосредоточены на этом рецепторе, так как он, как известно, опосредует действие кокаина.^[9] При стимуляции увеличивается лагерь уровни, в свою очередь, ведущие к CREB активация. Они наблюдали, как предыдущие инъекции кокаина приводили к прямому увеличению чувствительности рецептора D1. Через линии мышей, мутантных по рецептору D1, он также участвовал в опосредовании как локомоторных ощущений, так и положительных эффектов кокаина. Острые инъекции кокаина вызывали экспрессию c-fos и CREB через рецепторы D1 и повторное введение кокаина, что ассоциировалось с длительным Комплексы транскрипции AP-1 содержащий ΔFosB. Устойчивая экспрессия ΔFosB в рецепторах D1 в прилежащем ядре приводила к значительному усилению стимулирующих и вознаграждающих локомоторных эффектов кокаина. И наоборот, было показано, что повышение CREB снижает положительный эффект кокаина. Zhang et al. также использовал микрочипы для определения специфических генов, вызванных хроническим употреблением кокаина, которые зависят от функционального рецептора D1 через 24 часа после отмены кокаина.^[9] Было идентифицировано 109 генов, которые были либо повышены, либо понижены в 1,2 раза или более у мышей, мутантных по рецептору D1 хвостатой скорлупы, после повторных инъекций. Экспрессия этих генов была полностью нормальной у мышей с функциональными рецепторами D1, что позволяет предположить, что хроническое употребление кокаина оказало прямое влияние на опосредование этих генов через функциональный рецептор DRD1. Они обнаружили гены, принадлежащие к ряду функциональных групп, и выбрали шесть генов-кандидатов из трех. этих функциональных групп, чтобы проверить их дифференциальную экспрессию в хвостатой скорлупе. Для каждого гена исследователи подтвердили зависимость их экспрессии от рецептора D1 после лечения кокаином, используя Трихостатин А или другой антагонисты рецепторов. В частности, они сосредоточились на генах, кодирующих внеклеточный факторы, рецепторы, модуляторы и внутриклеточные сигнальные молекулы. Они могут регулироваться хроническим лечением кокаином через рецепторы D1, и все гены содержат сайты связывания транскрипционного комплекса AP-1 в своих промоторных областях. Для внеклеточных сигнальных молекул они смотрели на экспрессию генов IGFBP6 и SDF1. Оба они были индуцированы в хвостатой скорлупе у мышей дикого типа, но ослаблены у мутантов рецептора D1. Это предполагает, что IGFBP6 и SDF1 могут быть индуцированы повторным введением кокаина, а также что это взаимодействие частично зависит от функционального рецептора D1.

Прямые изменения функциональных групп

Zhang et al. ранее видели, что хроническое употребление кокаина приводит к увеличению дендритное ветвление и плотность шипов на нейронах среднего шипа и префронтальная кора пирамидные нейроны, что может способствовать кокаиновой нейроадаптации.^[9] При исследовании генов, являющихся рецепторами и модуляторами, они обнаружили, что экспрессия рецептор сигма-1 и RGS4 не увеличивался после повторного введения кокаина мутантам рецептора DA D1, что свидетельствует о функциональных рецептор дофамина D1 необходимо для их индукции. Этот рецептор был замечен модулировать полезные эффекты кокаина и антагонисты рецепторов блокировали острую локомоторно стимулирующий эффект и пониженную поведенческую сенсибилизацию. Было показано, что изменения в рецепторе сигма 1 модулируют высвобождение дофамина, поэтому сдвиги в его экспрессии могут изменить поведенческие реакции на кокаин с пре- и постсинаптическими влияниями. Они знали что RGS4 белки могут модулировать Рецептор, связанный с G-белком функция, и поскольку RGS4 уровни могут увеличиваться или уменьшаться в ответ на D1 /D2 При стимуляции рецептора он может участвовать в изменениях пути передачи сигнала после активации рецептора D1 в результате повторной стимуляции кокаином.

Для генов, кодирующих внутриклеточная передача сигналов молекулы, Zhang et al. сосредоточился на Wrch1 ген.^[9] После экспериментов исследователи обнаружили Wrch1 активируется повторными инъекциями кокаина в хвостатую скорлупу у мутантов рецептора D1. У мышей дикого типа изменений не было, что заставило их поверить в то, что Wrch1 может подавлять вызванные кокаином и опосредованные рецептором D1 изменения поведения. Ключевой участник Сигнальный путь Wnt, β-катенин, как полагали, было вызвано хроническим введением кокаина (что верно для прилежащего ядра), но острый кокаин снижал экспрессию в хвостатой скорлупе, тогда как хронические инъекции кокаина снижали экспрессию даже в NAc в мутантах рецептора D1. Этот путь влияет на Wrch1, поэтому он также может влиять на нейроадаптации, вызванные кокаином. Наконец, они обнаружили, что CaMKII-α не увеличивалась, как ожидалось, и подавлялась регуляция CD2 в мутантах рецептора D1 после хронического лечения. Эти результаты предполагают, что изменения экспрессии генов определенно индуцируются хроническим воздействием кокаина через рецептор D1 и, в основном, на сайты связывания AP-1.

Изменения в мезокортиколимбической системе

В отличие от большинства исследований, посвященных прилежащее ядро, Febo et al.^[10] предположили, что схема вознаграждения в мозгу - не единственная система, участвующая в аддиктивном поведении. Предыдущие знания предполагали, что стимуляторы вызывают изменения в экспрессии генов в основных частях мезолимбический схемотехника (включая вентральная тегментальная область, брюшное полосатое тело / nucleus accumbens и префронтальная кора ) и играют большую роль в развитии и поддержании состояния зависимости и ремоделирование хроматина. Они применили эти знания, чтобы исследовать, участвуют ли эти изменения экспрессии генов в связанных с кокаином поведенческих и молекулярных адаптациях. Они обнаружили неожиданные закономерности активации мозга у бодрствующих крыс, подвергшихся воздействию бутират натрия, Ингибитор HDAC (или HDACi). Острая доза привела к широко распространенному BOLD (зависит от уровня кислорода в крови ) активация в передний мозг и средний мозг, но активация, вызванная кокаином, была значительно ослаблена после повторного воздействия. Совместное лечение бутиратом натрия и кокаином восстановило ярко выраженную BOLD активацию после последовательных курсов лечения кокаином. Это предполагает, что первоначальная реакция мозга на повторное воздействие кокаина запускает десенсибилизация механизм, который может быть отменен предварительной обработкой бутиратом натрия. Нейронная схема эпигенетических модификаций, способствующих чувствительности к кокаину, не ограничивалась мезокортиколимбическая дофаминовая система («Система вознаграждения»), как они и ожидали. Вместо этого они увидели кортиколимбические схемы (вовлеченные в эмоция и объем памяти ) сыграл большую роль в изменениях поведения вознаграждения, связанных с HDACi. Доказательства того, что HDACi-опосредованное усиление сенсибилизирующих эффектов стимуляторов зависит от контекста и предполагает ассоциативное обучение.

Уход

По состоянию на май 2014 г.^{[Обновить]}, нет эффективных утвержденных фармакотерапия от кокаиновой зависимости.^[11]^[12] Ингибиторы HDAC были замешаны в качестве потенциального средства лечения кокаиновой зависимости.

Когнитивно-поведенческая терапия в настоящее время является наиболее эффективным клиническим методом лечения зависимости от психостимуляторов в целом.^[13]