Эпигенетика кокаиновой зависимости

Основная статья: Кокаиновая зависимость

Кокаиновая зависимость – это компульсивное употребление кокаина, несмотря на неблагоприятные последствия. Оно возникает посредством эпигенетической модификации (например, посредством HDAC , сиртуина и G9a ) и регуляции транскрипции (в первую очередь посредством ) ΔFosB комплекса AP-1 генов в прилежащем ядре .

Транскрипционные и эпигенетические механизмы

Роль ингибиторов HDAC в кокаиновой зависимости

Ингибиторы гистондеацетилазы (ингибиторы HDAC) рассматривались как потенциальное средство лечения кокаиновой зависимости. HDAC — это ферменты, которые могут деацетилировать гистоны , связанные с генами. Это может активировать гены для транскрипции. Несколько экспериментов показали, что ингибирование HDAC, участвующих в деацетилировании гистона H3K9, снижает поведение, связанное с поиском наркотиков .

Известно, что эпигенетические регуляции , такие как метилирование H3K9, играют ключевую роль в механизме зависимости . Недавние исследования показали, что введение ингибиторов HDAC может помочь снизить тягу к кокаину у крыс. Трихостатин А (TsA) является ингибитором HDAC, связанным со снижением склонности к поиску кокаина; он ингибирует классы HDAC 1, 3, 4, 6 и 10. Поскольку этот ингибитор HDAC оказывает столь значительное влияние на поведение, связанное с поиском кокаина, ученые предположили, что он способен снизить риск рецидива у человека, пристрастившегося к кокаину, в модельная система крыс во время реабилитации.

После нескольких тестов, в которых крысам вводили кокаин с последующим приемом ингибитора HDAC или плацебо, было обнаружено, что ингибиторы HDAC оказали значительное влияние на снижение поведения, связанного с поиском кокаина. Это также указывает на эпигенетический механизм, участвующий в регуляции HDAC хроматина. Эти данные имеют решающее значение для доказательства гипотезы о том, что трихостатин А может реконструировать структуру хроматина и предотвращать изменения поведения после воздействия кокаина. Испытания также показали, что введение ингибитора HDAC может не только предотвратить зависимость, но и помочь снизить риск рецидива у кокаиновых наркоманов в модельной системе на крысах.

Роль HDAC5

Как показывают предыдущие результаты, хроническое употребление кокаина вызывало как изменения в активности HDAC по ремоделированию хроматина , так и в поведении, связанном с поиском наркотиков. Рентал и др. основное внимание было уделено деацетилазе гистонов класса II , HDAC5, поскольку было известно, что она обладает зависимой от активности регуляцией в нейронах. Фактически, они обнаружили, что HDAC5 является центральным регулятором действия хронического употребления кокаина и способствует поведенческой адаптации благодаря своей деацетилазной активности. Хронические инъекции кокаина увеличивали фосфорилирование HDAC5 по Ser259 в прилежащем ядре (NAc) в течение 30 минут. Это обеспечивает места стыковки белков 14-3-3, которые опосредуют экспорт HDAC5 из ядра. Они также обнаружили, что CaMKII необходим для индуцированного деполяризацией фосфорилирования HDAC5 в ткани NAc, подчеркивая его роль как киназы для HDAC5. Эксперименты с мутантными белками и ингибиторами HDAC показали, что действие HDAC5 опосредовано через его каталитический домен гистондеацетилазы. Быстрое фосфорилирование и экспорт HDAC5 из ядра после употребления кокаина, скорее всего, приводят к усилению «импульсов» ацетилирования, целевой активации генов и поведенческой адаптации к длительному воздействию кокаина.

Вторая серия экспериментов, проведенных Renthal et al. Проведенные исследования показали, что хроническое употребление кокаина вызывает активацию NK ₁ белка рецептора у мышей с нокаутом HDAC5, что связано с гиперацетилированием H3 на промоторе гена NK1R. Промотор гена NK1R связан с усиленной реакцией на вознаграждение за кокаин, а это означает, что HDAC5 в нормальных геномах может снижать вознаграждение за кокаин при хроническом воздействии кокаина. Они также обнаружили ключевые пути, которые участвуют в нейронной пластичности и поведении вознаграждения, включая передачу сигналов рецептора DA , передачу сигналов ATF2 / CREB , NF-κB , NFAT , белки ремоделирования цитоскелета и ионные каналы . Их данные свидетельствуют о том, что ремоделирование хроматина является механизмом, который управляет измененной активацией генов и поведенческими реакциями на кокаин. Обладая этой информацией, они пришли к выводу, что в нормальных геномах (дикого типа) ответ на хронический кокаин включает фосфорилирование HDAC5 и экспорт деацетилазы из ядра для активации нижестоящих генов-мишеней. Между воздействием и через 24 часа после него HDAC5 возвращается в ядро ​​клетки, чтобы ограничить экспрессию этих генов, регулируемых кокаином, путем деацетилирование гистонов . Их эксперименты с мышами, нокаутными по HDAC5, предоставили дополнительную поддержку этой гипотезе. Поскольку HDAC5 не ограничивает экспрессию гена, он начинает накапливаться при повторном воздействии кокаина, в результате чего повышается чувствительность к кокаиновому вознаграждению.

Изменения критических модификаций H3K9me3

Модификации гистонов , такие как метилирование и ацетилирование, могут изменить структуру экспрессии генов, активируя или деактивируя участок ДНК для транскрипции . кокаина . Несколько исследований показали, что положение H3K9 изменяется при хроническом употреблении

Аддиктивное поведение, наблюдаемое у длительно употребляющих кокаин, может быть связано с изменениями в профилях экспрессии генов в схеме вознаграждения мозга. Большинство исследований было сосредоточено на активных областях генов, связанных с вознаграждением, но Maze et al. фокусируется на том, что происходит с гетерохроматическими областями . Мэйз и др. показали, что гетерохроматические области в прилежащем ядре (NAc), основной цепи вознаграждения в мозге, значительно изменяются в положении 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 при остром) и снижению на 50% от нормального исходного уровня в течение 24 часов. Было высказано предположение, что это хроническое воздействие уменьшает гетерохроматинизацию (дестабилизацию) в этой области мозга у пациентов, подвергающихся неоднократному воздействию кокаина, что означает, что на долгосрочное аддиктивное поведение влияет эта эпигенетическая метка. Они использовали ChIP-seq, чтобы предоставить подтверждающие доказательства того, что модификация H3K9me3 в основном локализована в межгенных регионах . В этих областях генома 17 областей повторяющихся элементов ( SINEs , LINEs , LTRs и т. д.) имели значительные изменения состояния H3K9me3 на моделях мышей с хроническим воздействием кокаина. Они использовали количественная ПЦР для определения того, что из этих важных элементов область LINE-1 показала значительное увеличение уровней экспрессии. LINE-1 является ретротранспозоном , поэтому его неправильная экспрессия может активировать транспозон для внедрения в важные гены и дестабилизировать ДНК. В заключение они предполагают, что вставки ретротранспозонов LINE-1 вызывают неадекватную или нарушенную экспрессию генов, приводящую к аддиктивному поведению .

Роль G9a в изменениях модификации H3K9me2

Как и Мейз и др., исследования Ковингтона и соавт. сосредоточились на модификации гистонов в прилежащем ядре. Они предполагают, что модификация H3K9me2 в этой области мозга играет роль в развитии стресса и депрессии . Их идея заключалась в том, что кокаин модифицирует эту эпигенетическую метку и что это увеличивает уязвимость зависимого человека к стрессу и депрессии, что приводит к аддиктивному воздействию этих реагентов. G9a Было обнаружено , что метилтрансфераза имеет сниженную экспрессию в прилежащем ядре у наркоманов, что приводит к снижению уровня H3K9me2. Гены, которые не подавляются в результате ацетилирования гетерохроматина, аномально экспрессируют гены, участвующие в BDNF - TrkB - CREB сигнальном пути . 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 морфологии нейронов и поведенческим изменениям. Большинство изменений связано с разрушением гетерохроматина , вызванным снижением уровня метилирования гистонов, а именно H3K9. Это снижение опосредовано репрессией G9a, гистон-лизин-N-метилтрансферазы , которая регулируется ΔFosB . ΔFosB представляет собой индуцируемый кокаином фактор транскрипции, который накапливается в прилежащем ядре (NAc) и подавляет G9a. Когда ΔFosB сверхэкспрессируется, уровни G9a снижаются, а уровни диметилирования H3K9 снижаются в NAc. Мэйз и др. был заинтересован в определении того, как снижение уровня влияет на поведение потребителей кокаина. Несколько исследований было проведено на крысах, и был сделан вывод, что сверхэкспрессия G9a и, следовательно, наличие диметилирования H3K9 вызывают снижение предпочтения кокаина у крыс. Затем исследователи изучили объем ядра крыс, подвергшихся воздействию кокаина, и обнаружили, что снижение уровня G9a увеличивает количество дендритных шипов в прилежащем ядре, что приводит к усилению поведения, связанного с поиском кокаина.

Только в прилежащем ядре уровень G9a имеет значение для развития кокаиновой зависимости. Были проведены исследования, в которых уровни G9a и уровни H3K9me2 были изменены в других областях мозга, но эти другие места не оказали влияния на поведение крыс при поиске кокаина.

Исследования экспрессии генов мезолимбического пути

. зависимости Также было показано, что сиртуиндеацетилазы играют роль в опосредовании кокаиновой Чтобы определить их роль, сначала необходимо было проанализировать два ранее упомянутых фактора транскрипции, ΔFosB и CREB. Ранее было заявлено, что ΔFosB увеличивает склонность 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 абстиненции. 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 они исследовали те из них, которые были значимыми маркерами зависимости от кокаина, одним из которых было семейство генов сиртуинов . III класса Сиртуины представляют собой НАД-зависимые деацетилазы гистонов . Сиртуины не только деацетилируют гистоны, но также отвечают за деацетилирование тубулина , p53 и NFKB . В нескольких исследованиях изучалась роль сиртуинов в поведении, связанном с поиском кокаина. В одной серии экспериментов было обнаружено, что значительное увеличение ΔFosB в прилежащем ядре приводило к связыванию ΔFosB с Промотор SIRT2 . Это усиленное 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 ученые были заинтересованы в определении того, как увеличение Sirt1 и Sirt2 влияет на объем ядра, поскольку ранее было показано, что повторное употребление кокаина влияет на это. 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 играют важную роль в поведении, связанном с поиском кокаина.

Кумар и др. сосредоточились на том, как острое и хроническое воздействие кокаина повлияло на полосатое тело , которое является еще одной областью мозга, участвующей в системе вознаграждения и локомоторных путях. Чтобы изучить молекулярное действие кокаина в этой области, исследователи изучили модификации гистонов трех различных промоторов: cFos , BDNF и Cdk5 . Они увидели, что cFos , который обычно экспрессируется сразу после того, как нейроны активируют потенциалы действия, имеет высокие уровни ацетилирования H4 в течение 30 минут после инъекции кокаина, но при хроническом употреблении кокаина не наблюдалось никаких модификаций гистонов. Эти результаты позволяют предположить, что этот промотор активируется при остром употреблении кокаина и, возможно, означает, что нейроны, которые он регулирует, быстро активируются во время острого воздействия кокаина, но не подвергаются воздействию длительного употребления. BDNF участвует в качестве критического регулятора лекарственной зависимости, а Cdk5 участвует в регуляции генов клеточной пролиферации . Оба этих промотора индуцировались хроническим употреблением кокаина (гиперацетилирование H3). Изменение естественного состояния ацетилирования этих промоторов у острых и хронических потребителей кокаина изменило двигательные реакции и реакцию вознаграждения на кокаин. Это говорит о том, что поведенческая активность, наблюдаемая у потребителей кокаина, может быть частично связана с модификациями гистонов в этих промоторных сайтах.

МакКлунг и др. 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 мозге. CREB участвует в обучении, памяти и депрессии, а у потребителей кокаина он накапливается в прилежащем ядре. CREB, по-видимому, активирует многие гены на своем пути в областях мозга, отвечающих за вознаграждение. Похоже, что он также снижает полезный эффект от кокаина и вместо этого приводит к депрессивному поведению. Изменения экспрессии генов, вызванные CREB, индуцируются кратковременным лечением кокаином и в конечном итоге возвращаются к норме. Они также сосредоточились на ΔFosB, который относится к семейству белков FosB. Хотя большинство этих белков участвуют в изменениях экспрессии генов краткосрочной зависимости, McClung et al. продемонстрировали, что изменения экспрессии гена ΔFosB в NAc были вызваны кратковременным и долгосрочным воздействием кокаина. Кратковременное воздействие кокаина приводит к тем же профилям экспрессии активированных генов, что и CREB, что приводит к уменьшению наблюдаемых эффектов вознаграждения. Однако длительное воздействие приводит к другому профилю экспрессии, что приводит к усилению эффектов вознаграждения. Они предположили, что ΔFosB действует как репрессор и каким-то образом взаимодействует с путем CREB и косвенно приводит к тем же краткосрочным эффектам, что и наблюдаемые, но со временем действует, активируя гены в своем собственном пути, что приводит к усилению эффектов вознаграждения. Неизвестно, как взаимодействуют эти два пути, но они показали, что существует некоторое перекрытие.

Модификации экспрессии генов путей дофаминовых рецепторов

В белковых путях CREB-Fos также участвует дофаминовый рецептор D1 (DRD1), экспрессируемый в нейронах прилежащего ядра и области хвостатой скорлупы . Чжан и др. сосредоточено на этом рецепторе, поскольку известно, что он опосредует действие кокаина. При стимуляции он увеличивает цАМФ уровень , что, в свою очередь, приводит к активации CREB . Они заметили, что предыдущие инъекции кокаина приводили к прямому увеличению чувствительности рецептора D1. Через линии мышей с мутантным рецептором D1 он также участвовал в обеспечении как двигательных ощущений, так и поощрительных эффектов кокаина. Острые инъекции кокаина индуцировали экспрессию c-fos и CREB через рецепторы D1 и повторное введение кокаина, что связано с длительным действием транскрипционных комплексов AP-1, содержащих ΔFosB. Постоянная экспрессия ΔFosB в рецепторах D1 прилежащего ядра привела к значительному усилению локомоторно-стимулирующего и поощрительного эффектов кокаина. И наоборот, было показано, что увеличение CREB снижает полезный эффект кокаина. Чжан и др. также использовали микрочипы для идентификации специфических генов, вызванных хроническим употреблением кокаина, которые зависят от функционального рецептора D1 через 24 часа после отмены кокаина. Было идентифицировано 109 генов, активность которых повышалась или понижалась в 1,2 раза и более у мышей, мутантных по рецептору D1 хвостатой скорлупы, после повторных инъекций. Экспрессия этих генов была совершенно нормальной у мышей с функциональными рецепторами D1, что позволяет предположить, что хроническое употребление кокаина оказывает прямое влияние на передачу этих генов через функциональный рецептор DRD1. Они обнаружили гены, принадлежащие к ряду функциональных групп, и выбрали шесть генов-кандидатов из трех. этих функциональных групп для проверки их дифференциальной экспрессии в хвостатой скорлупе. Для каждого гена исследователи проверили зависимость их экспрессии от рецептора D1 после лечения кокаином с использованием трихостатина А или других антагонистов рецептора . В частности, они сосредоточились на генах, кодирующих внеклеточные факторы, рецепторы, модуляторы и внутриклеточные сигнальные молекулы. Их можно регулировать путем постоянного лечения кокаином через рецепторы D1, и все гены содержат сайты связывания транскрипционного комплекса AP-1 в своих промоторных областях. Что касается внеклеточных сигнальных молекул, они изучали экспрессию генов. IGFBP6 и SDF1 . Оба они индуцировались в хвостатой скорлупе мышей дикого типа, но ослаблялись у мутантов рецептора D1. Это предполагает, что IGFBP6 и SDF1 могут индуцироваться повторным введением кокаина, а также что это взаимодействие частично зависит от функционального рецептора D1.

Прямые изменения в функциональных группах

Чжан и др. ранее наблюдали, что хроническое употребление кокаина приводит к увеличению разветвления дендритов и плотности шипиков на нейронах среднего отдела позвоночника и префронтальной коры пирамидных нейронах , что может способствовать нейроадаптации, вызванной кокаином . При исследовании генов, которые были рецепторами и модуляторами, они обнаружили, что экспрессия рецептора сигма-1 и RGS4 не повышалась после повторного введения кокаина у мутантов рецептора DA D1, что позволяет предположить, что функциональный рецептор дофамина D1 для их индукции необходим . Было замечено, что этот рецептор модулирует полезный эффект кокаина, а антагонисты рецептора блокируют острый локомоторный стимулирующий эффект и снижают 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 постсинаптическим влиянием. Они знали, что белки RGS4 могут модулировать функцию рецептора, связанного с G-белком , и поскольку уровни RGS4 могут увеличиваться или уменьшаться в ответ на стимуляцию рецепторов D1/ D2 , он может участвовать в изменениях пути передачи сигнала после активации рецептора D1 в результате повторной стимуляции кокаином. .

Что касается генов, кодирующих внутриклеточные сигнальные молекулы, Zhang et al. сосредоточились на гене Wrch1 . После экспериментов исследователи обнаружили, что Wrch1 активируется при повторных инъекциях кокаина в хвостатую скорлупу у мутантов рецептора D1. У мышей дикого типа изменений не произошло, что позволило предположить, что Wrch1 может ингибировать поведенческие изменения, вызванные кокаином и опосредованные рецептором D1. Считалось, что ключевой член сигнального пути Wnt , β-катенин , индуцируется хроническим введением кокаина (что было верно для прилежащего ядра), но острый прием кокаина 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 нейроадаптацию, вызванную кокаином. Наконец, они обнаружили, что CaMKII-α не активировался, как ожидалось, а уровень CD2 был снижен у мутантов рецептора D1 после длительного лечения. Эти результаты позволяют предположить, что изменения экспрессии генов определенно вызваны хроническим воздействием кокаина через рецептор D1 и в основном в сайтах связывания AP-1.

Изменения в мезокортиколимбической системе.

В отличие от большинства исследований, посвященных прилежащему ядру , Febo et al. предположил, что схема вознаграждения мозга — не единственная система, участвующая в аддиктивном поведении. Предыдущие исследования показали, что стимуляторы вызывают изменения в экспрессии генов в основных частях мезолимбической схемы (включая вентральную покрышку , вентральное полосатое тело /прилежащее ядро ​​и префронтальную кору ) и играют большую роль в развитии и поддержании состояния зависимости и ремоделировании хроматина. . Они применили эти знания, чтобы выяснить, участвуют ли эти изменения в экспрессии генов в поведенческих и молекулярных адаптациях, связанных с кокаином. Они обнаружили неожиданные закономерности активации мозга у бодрствующих крыс, подвергшихся воздействию бутирата натрия , ингибитора HDAC (или HDACi). Острая доза привела к широко распространенной активации BOLD ( зависящей от уровня кислорода в крови ) в переднем и среднем мозге , но активация, вызванная кокаином, была значительно ослаблена после повторного воздействия. Совместное лечение бутиратом натрия с кокаином восстанавливало выраженную активацию BOLD после последовательного лечения кокаином. Это предполагает, что первоначальная реакция мозга на повторное воздействие кокаина вызывает механизм десенсибилизации , который можно отменить предварительной обработкой бутиратом натрия. Нейронная схема эпигенетических модификаций, способствующих чувствительности к кокаину, не ограничивалась мезокортиколимбической дофаминовой системой («системой вознаграждения»), как они ожидали. Вместо этого они увидели, что кортиколимбическая схема (участвующая в эмоциях и памяти ) играет большую роль в изменениях поведения, связанных с вознаграждением, связанных с HDACi. Доказательства того, что HDACi-опосредованное усиление сенсибилизирующего эффекта стимулятора зависит от контекста и включает ассоциативное обучение.

Уход

По состоянию на май 2014 г. , не существует эффективной одобренной фармакотерапии кокаиновой зависимости. Ингибиторы HDAC рассматривались как потенциальное средство лечения кокаиновой зависимости.

Когнитивно-поведенческая терапия в настоящее время является наиболее эффективным клиническим методом лечения психостимуляторной зависимости в целом.