Epigenética de la adicción a la cocaína
La adicción a la cocaína es el uso compulsivo de la cocaína a pesar de las consecuencias adversas. Surge a través de la modificación epigenética (por ejemplo, a través de HDAC, sirtuin y G9a ) y la regulación transcripcional (principalmente a través de ΔFosB ‘s AP- complejo ) de genes en el núcleo accumbens.
Mecanismos transcripcionales y epigenéticos
Papel de los inhibidores de HDAC en la adicción a la cocaína
Los inhibidores de histona desacetilasa ( inhibidores de HDAC) han sido implicados como un tratamiento potencial para los adictos a la cocaína. Las HDAC son enzimas que pueden desacetilar las histonas asociadas con los genes. Esto puede activar genes para la transcripción. Varios experimentos han demostrado que la inhibición de las HDAC involucradas en la desacetilación de la histona H3K9 reduce el comportamiento de búsqueda de drogas.
Se sabe que las regulaciones epigenéticas, como la metilación de H3K9, tienen un papel clave en el mecanismo de la adicción. Estudios recientes han demostrado que administrar inhibidores de HDAC puede ayudar a reducir el deseo de cocaína en ratas. La tricostatina A (TsA) es un inhibidor de HDAC asociado con un comportamiento reducido de búsqueda de cocaína;
Inhibe las clases de HDAC 1, 3, 4, 6 y 10. Dado que este inhibidor de HDAC tiene un efecto tan significativo en los comportamientos de búsqueda de cocaína, los científicos han especulado sobre su capacidad para reducir el riesgo de recaída de un adicto a la cocaína en el sistema modelo de ratas rehabilitación
Después de varias pruebas en las que las ratas fueron expuestas a la cocaína seguidas de un inhibidor de HDAC o un placebo, se descubrió que los inhibidores de HDAC tenían un efecto significativo en la reducción del comportamiento de búsqueda de cocaína. Esto también sugiere un mecanismo epigenético involucrado en la regulación de la cromatina HDAC.
Los datos son cruciales para probar la hipótesis de que la tricostatina A puede remodelar la estructura de la cromatina y prevenir cambios de comportamiento después de la exposición a la cocaína. Las pruebas también revelaron que la administración de inhibidores de HDAC no solo puede prevenir la adicción, sino que también ayuda a reducir el riesgo de una recaída en los adictos a la cocaína en el sistema modelo de ratas.
Papel de HDAC
Como sugieren los hallazgos anteriores, el consumo crónico de cocaína causó alteraciones en la actividad de remodelación de la cromatina de los HDAC y el comportamiento de búsqueda de drogas. Renthal y col. se centró específicamente en la histona desacetilasa de clase II, HDAC, ya que se sabía que tenía una regulación dependiente de la actividad en las neuronas.
De hecho, descubrieron que HDAC era un regulador central de las acciones del consumo crónico de cocaína y contribuía a las adaptaciones conductuales con su actividad desacetilasa. Las inyecciones crónicas de cocaína aumentaron la fosforilación de HDAC en Ser en el núcleo accumbens(NAc) en 30 minutos.
Esto proporciona sitios de acoplamiento para proteínas 14-3-3, que median la exportación de HDAC fuera del núcleo. También descubrieron que CaMKII era necesario para la fosforilación de HDAC inducida por despolarización en el tejido NAc, destacando su papel como una quinasa para HDAC. Los experimentos con proteínas mutantes e inhibidores de HDAC sugirieron que la acción de HDAC está mediada por su dominio catalítico de histona desacetilasa.
La fosforilación rápida y la exportación de HDAC desde el núcleo después del consumo de cocaína probablemente conduzca a un aumento de «pulsos» de acetilación, activación de genes específicos y adaptaciones conductuales a la exposición a cocaína a largo plazo.
El segundo conjunto de experimentos que Renthal et al. a cabo demostró que la regulación al alza el uso crónico de cocaína inducida de la NK 1 receptor proteína en HDAC ratones, que se asocia con hyperacetylation del nocaut H3 en el promotor del gen NKR. El promotor del gen NKR se ha asociado con una respuesta mejorada a la recompensa de cocaína, lo que significa que HDAC en genomas normales puede disminuir la recompensa de cocaína con la exposición crónica a la cocaína.
También encontraron vías clave que estaban implicadas en la plasticidad neural y el comportamiento de recompensa, que incluía la señalización del receptor DA, la señalización ATF / CREB, NF-κB, NFAT,proteínas de remodelación del citoesqueleto y canales iónicos. Sus datos implicaron la remodelación de la cromatina como un mecanismo que impulsa la activación de genes alterados y las respuestas conductuales a la cocaína.
Usando esto, pudieron concluir que dentro de los genomas normales (de tipo salvaje), la respuesta a la cocaína crónica incluye la fosforilación de HDAC y la exportación de la desacetilasa fuera del núcleo para activar los genes objetivo aguas abajo. Entre la exposición y 24 horas después, HDAC regresa al núcleo celular para limitar la expresión de estos genes regulados por cocaína por desacetilación de histonas.
Sus experimentos con ratones knockout HDAC prestaron apoyo adicional para esta hipótesis. Dado que HDAC no está allí para limitar la expresión del gen, comienza a acumularse con la exposición repetida a la cocaína, y el resultado final es una mayor sensibilidad a la recompensa de la cocaína.
Cambios en modificaciones críticas de H3K9me
Las modificaciones a las histonas, tales como metilaciones y acetilaciones, pueden cambiar los patrones de expresión génica activando o desactivando una región de ADN para la transcripción. El H3K9 posición ha sido demostrado por varios estudios para ser alterado por el uso crónico de cocaína.
El comportamiento adictivo observado por los consumidores de cocaína a largo plazo puede deberse a cambios en los perfiles de expresión génica en los circuitos de recompensa del cerebro. La mayoría de las investigaciones se han centrado en las regiones activas de los genes relacionados con la recompensa, pero Maze et al.
Se centra en lo que les sucede a las regiones heterocromáticas. Maze y col. mostró que las regiones heterocromáticas en el núcleo accumbens(NAc), un importante circuito de recompensa en el cerebro, se altera significativamente en la posición H3K9me. La exposición aguda a la cocaína conduce a un rápido aumento de H3K9me en media hora y disminuye a niveles normales en 24 horas.
La exposición crónica a la cocaína conduce a un aumento más lento de H3K9me en una hora (aunque alcanza el mismo nivel que el agudo en este momento) y una disminución del 50% de los niveles de referencia normales en 24 horas. Esta exposición crónica se propuso para disminuir la heterocromatización (desestabilización) dentro de esta región del cerebro en pacientes que recibieron exposición repetida a la cocaína, lo que implica que los comportamientos adictivos a largo plazo se ven afectados por esta marca epigenética.
Utilizaron ChIP-seq para proporcionar evidencia de apoyo de que la modificación H3K9me se localiza principalmente en regiones intergénicas. En estas áreas del genoma, 17 regiones de elementos repetidos ( SINE, LINE, LTR, etc.) tuvieron cambios significativos en el estado de H3K9me en los modelos de ratones con exposición crónica a la cocaína.
Utilizaron PCR cuantitativa para determinar que de estos elementos significativos, la región LINE- mostró un aumento significativo en los niveles de expresión. LINE- es un retrotransposón, por lo que expresarlo de manera inapropiada puede activar el transposón para insertarse en genes importantes y desestabilizar el ADN.
Concluyen sus hallazgos sugiriendo que las inserciones de retrotransposón de LINE- causan una expresión inapropiada o interrumpida de genes que conducen a un comportamiento adictivo.
Papel de G9a en los cambios a la modificación H3K9me
Al igual que Maze et al., los estudios de Covington et al. se centró en la modificación de histonas en el núcleo accumbens. Sugieren que la modificación H3K9me en esta área del cerebro juega un papel en la vía del estrés y la depresión. Su idea era que la cocaína modifica esta marca epigenética y que esto aumenta la vulnerabilidad de un adicto al estrés y la depresión, lo que conduce a los efectos adictivos de estos reactivos.
Se descubrió que una metiltransferasa, G9a, tenía una expresión reducida en el núcleo accumbens en los adictos a la cocaína, lo que causaba niveles reducidos de H3K9me. Los genes que no son silenciados a través de la acetilación de la heterocromatina expresan anormalmente los genes involucrados enBDNF – TrkB – Vía de señalización CREB.
Esto provoca una fosforilación mejorada de CREB aguas abajo en la vía. CREB provoca una mayor acetilación y desregulación de las vías de señalización de estrés y depresión.
La cocaína induce cambios epigenéticos que conducen a la morfología neuronal y los cambios de comportamiento. La mayoría de los cambios tienen que ver con la interrupción de la heterocromatina causada por niveles reducidos de metilación en las histonas, es decir, H3K9. Esta disminución está mediada por la represión de G9a, una N-metiltransferasa de histona-lisina que está regulada por ΔFosB.
ΔFosB es un factor de transcripción inducido por cocaína que se acumula en el núcleo accumbens (NAc) y actúa para reprimir G9a. Cuando ΔFosB se sobreexpresa, los niveles de G9a se reducen y los niveles de dimetilación de H3K9 se reducen en el NAc. Maze y col.estaba interesado en determinar cómo los niveles reducidos afectan el comportamiento de los consumidores de cocaína.
Se realizaron varios estudios en ratas y se concluyó que la sobreexpresión de G9a y, por lo tanto, la presencia de dimetilación de H3K9, causaban una menor preferencia por la cocaína en las ratas. Luego, los investigadores observaron el volumen nuclear de las ratas expuestas a la cocaína y descubrieron que la baja regulación de G9a aumentó la cantidad de espinas dendríticas en el núcleo accumbens, lo que condujo a un mayor comportamiento de búsqueda de cocaína.
Solo en el núcleo accumbens los niveles de G9a son importantes para la adicción a la cocaína. Se han realizado estudios en los que los niveles de G9a y H3K9me se modificaron en otras áreas del cerebro, pero estos otros lugares no tuvieron ningún efecto sobre el comportamiento de búsqueda de cocaína de las ratas.
Estudios de expresión génica en la vía mesolímbica
También se ha demostrado que el papel de las desacetilasas de sirtuinas desempeña un papel en la mediación de la adicción a la cocaína. Para determinar su papel, primero se tuvieron que analizar los dos factores de transcripción mencionados anteriormente, ΔFosB y CREB. Se ha dicho previamente que ΔFosB aumenta el comportamiento de búsqueda de cocaína de los usuarios.
Esto se debe a que ΔFosB tiene una estructura excepcionalmente estable que le permite persistir y acumularse en el cuerpo. A diferencia de ΔFosB, CREB es responsable de reducir la sensibilidad a la cocaína que causa síntomas negativos durante el período de abstinencia. Cada uno de estos factores de transcripción aumenta el comportamiento de búsqueda de cocaína de los adictos.
Una vez que se estableció esta conexión entre los factores de transcripción, los investigadores sintieron curiosidad por saber si otros genes también causaban comportamientos adictivos y exploraron los que eran marcadores significativos para la adicción a la cocaína, uno de los cuales era la sirtuinafamilia de genes Las sirtuinas son histona desacetilasas dependientes de NAD de clase III.
Las sirtuinas no solo desacetilan las histonas, sino que también son responsables de la desacetilación de tubulina, p53 y NFKB. Varios estudios han explorado el papel que juegan las sirtuinas en el comportamiento de búsqueda de cocaína. En un conjunto de experimentos, se encontró que un aumento significativo en ΔFosB en el núcleo accumbens condujo a la unión de ΔFosB al promotor SIRT.
Este aumento de la unión causó la acetilación de H3que está asociado con un aumento de Sir mRNA. También se descubrió que la acetilación de H3 inducida por la cocaína aumentaba Sirt en el núcleo accumbens. Por lo tanto, el uso repetido de cocaína causa un aumento tanto en Sirt como en Sirt. Luego, los científicos estaban interesados en determinar cómo el aumento de Sirt y Sirt afectaba el volumen nuclear porque se había demostrado previamente que el uso repetido de cocaína lo hace.
Los científicos que estudian Sirt y Sirt también han descubierto que estos factores de transcripción condujeron a un aumento del volumen nuclear. Por lo tanto, se ha concluido que ΔFosB, CREB, Sirt y Sirt juegan un papel integral en los comportamientos de búsqueda de cocaína.
Kumar y col. se centró en cómo la exposición aguda y crónica a la cocaína afectó al cuerpo estriado, que es otra área del cerebro involucrada en la recompensa y las vías locomotoras. Para estudiar las acciones moleculares de la cocaína en esta región, los investigadores estudiaron las modificaciones de histonas de tres promotores diferentes:
CFos, BDNF y Cdk. Vieron que cFos, que normalmente se expresa inmediatamente después de que las neuronas disparan potenciales de acción, tenía altos niveles de H4acetilación dentro de los 30 minutos de una inyección de cocaína, pero no se observaron modificaciones de histonas con el uso crónico de cocaína.
Estos resultados sugirieron que este promotor se activa por el uso agudo de cocaína y posiblemente significa que las neuronas que regula se disparan rápidamente durante la exposición aguda a la cocaína, pero no se ven afectadas por el uso a largo plazo. BDNF ha sido implicado como un regulador crítico en la drogodependencia, y Cdk está implicado en la regulación de la proliferación celulargenes Ambos de estos promotores fueron inducidos por el consumo crónico de cocaína (hiperacetilación H3).
La alteración de los estados de acetilación natural de estos promotores en usuarios agudos y crónicos de cocaína alteró las respuestas locomotoras y de recompensa a la cocaína. Esto sugiere que la actividad conductual observada por los consumidores de cocaína puede atribuirse, en parte, a las modificaciones de histonas en estos sitios promotores.
McClung y col.discuta los perfiles de expresión génica de CREB y ΔFosB mencionados anteriormente, ya que están involucrados en el uso de cocaína. Se ha demostrado que estos factores de transcripción juegan un papel en los cambios adaptativos a corto y largo plazo en el cerebro. CREB ha sido implicado en el aprendizaje, la memoria y la depresión y enriquecido en usuarios de cocaína dentro del núcleo accumbens.
CREB parece regular al alza muchos genes en su camino dentro de las regiones de recompensa del cerebro y parece reducir los efectos gratificantes de la cocaína y conduce a comportamientos depresivos. Los cambios en la expresión génica por CREB son inducidos por el tratamiento a corto plazo con cocaína y eventualmente vuelven a la normalidad.
También se centraron en ΔFosB, que pertenece a la familia de las proteínas FosB. Mientras que la mayoría de estas proteínas han sido implicadas en cambios de expresión génica de abuso a corto plazo, McClung et al. demostró que los cambios en la expresión del gen ΔFosB en la NAc fueron inducidos por la exposición a la cocaína a corto y largo plazo.
La exposición a la cocaína a corto plazo conduce a los mismos perfiles de expresión de genes regulados al alza que CREB, creando los efectos gratificantes reducidos observados. Sin embargo, la exposición a largo plazo conduce a un perfil de expresión diferente que conduce a mayores efectos gratificantes.
Sugirieron que ΔFosB actúa como un represor e interactúa de alguna manera con la ruta CREB e indirectamente conduce a los mismos efectos a corto plazo observados, pero con el tiempo, actúa para regular los genes dentro de su propia ruta, lo que aumenta los efectos gratificantes. Se desconoce cómo interactúan estas dos vías, pero han demostrado que existe cierta superposición.
Modificaciones a la expresión génica de las vías del receptor de dopamina
También está involucrado en las vías de la proteína CREB-Fos el receptor de dopamina D1 (DRD), expresado en neuronas en las regiones del núcleo accumbens y putamen caudado. Zhang y col. se centró en este receptor, ya que se sabe que media los efectos de la cocaína. Cuando se estimula, aumenta los niveles de AMPc, lo que a su vez conduce a CREBactivación.
Habían observado inyecciones previas de cocaína que condujeron a un aumento directo en la sensibilidad del receptor D1. A través de líneas de ratones mutantes del receptor D1, también se había implicado en la mediación de la sensación locomotora y los efectos gratificantes de la cocaína. Las inyecciones agudas de cocaína indujeron la expresión de c-fos y CREB a través de receptores D1 y la administración repetida de cocaína, que se asoció con complejos de transcripción AP- de larga duración que contienen ΔFosB.
La expresión persistente de ΔFosB en los receptores D1 en el núcleo accumbens condujo a un aumento significativo en los efectos estimulantes y locomotores de la cocaína. Por el contrario, se demostró que un aumento de CREB disminuye los efectos gratificantes de la cocaína. Zhang y col. también utiliza microarrayspara identificar genes específicos inducidos por el consumo crónico de cocaína, que dependen de un receptor D1 funcional 24 horas después de la abstinencia de cocaína.
Se identificaron 109 genes que estaban regulados hacia arriba o hacia abajo por 1.2 veces o más en los ratones mutantes del receptor D1 caudado putamen después de inyecciones repetidas. La expresión de estos genes fue totalmente normal en ratones con receptores D1 funcionales, lo que sugiere que el consumo crónico de cocaína tuvo una influencia directa en la mediación de estos genes a través de un receptor DRD funcional.
Encontraron genes que pertenecen a varios grupos funcionales y eligieron seis genes candidatos de tres de estos grupos funcionales para verificar su expresión diferencial en el putamen caudado. Para cada gen, los investigadores verificaron la dependencia de su expresión en el receptor D1 después del tratamiento con cocaína usandoTricostatina A u otros antagonistas de los receptores.
Específicamente, se centraron en los genes que codifican factores extracelulares, receptores, moduladores y moléculas de señalización intracelular. Estos pueden regularse mediante el tratamiento crónico de cocaína a través de receptores D1, y todos los genes contienen sitios de unión del complejo transcripcional AP- en sus regiones promotoras.
Para las moléculas de señalización extracelular, observaron la expresión de los genes IGFBP y SDF. Ambos fueron inducidos en el putamen caudado en ratones de tipo salvaje, pero atenuados en los mutantes del receptor D1. Esto sugiere que IGFBP y SDF pueden ser inducidos por la administración repetida de cocaína, y también que esta interacción depende parcialmente de un receptor D1 funcional.
Cambios directos a grupos funcionales
Zhang y col. previamente había visto que la administración crónica de cocaína conduce a un aumento de la ramificación dendrítica y la densidad de la columna vertebral en las neuronas medianas de la columna vertebral y las neuronas piramidales de la corteza prefrontal, lo que puede contribuir a las neuroadaptaciones inducidas por la cocaína.
Al investigar los genes que eran receptores y moduladores, encontraron que la expresión del receptor sigma 1 y RGS no estaba regulada por incremento después de la administración repetida de cocaína en mutantes del receptor DA D1, lo que sugiere un receptor funcional de dopamina D1Es necesario para su inducción.
Se había visto que este receptor modula los efectos gratificantes de la cocaína, y los antagonistas del receptor habían bloqueado el efecto estimulante locomotor agudo y reducido la sensibilización conductual. Se ha demostrado que los cambios en el receptor sigma 1 modulan la liberación de dopamina, por lo que los cambios en su expresión pueden cambiar las respuestas de comportamiento a la cocaína con influencias sinápticas pre y post.
Sabían que las proteínas RGS pueden modular la función del receptor acoplado a la proteína G, y dado que los niveles de RGS pueden aumentar o disminuir en respuesta a la estimulación del receptor D1 / D2, podría estar involucrado en alteraciones de la vía de transducción de señales después de la activación del receptor D1 por la repetida estimulación de cocaína.
Para los genes que codificaron las moléculas de señalización intracelular, Zhang et al. centrado en el gen Wrch. Después de la experimentación, los investigadores descubrieron que Wrch estaba regulado por repetidas inyecciones de cocaína en el putamen caudado en mutantes del receptor D1. No hubo cambios en los ratones de tipo salvaje, lo que los llevó a creer que Wrch puede inhibir los cambios de comportamiento inducidos por la cocaína y los receptores D1.
Un miembro clave de la vía de señalización de Wnt, β-catenina, se pensó que era inducida por la administración crónica de cocaína (lo cual había sido cierto en el núcleo accumbens), pero la cocaína aguda redujo la expresión en el putamen caudado, mientras que las inyecciones crónicas de cocaína disminuyeron la expresión incluso en el NAc en mutantes del receptor D1.
Esta vía influye en Wrch, por lo que también puede influir en las neuroadaptaciones inducidas por cocaína. Por último, descubrieron que CaMKII-α no estaba regulado al alza como se esperaba, y que CD estaba regulado a la baja en mutantes del receptor D1 después del tratamiento crónico. Estos resultados sugieren que los cambios en la expresión génica son inducidos definitivamente por la exposición crónica a la cocaína a través del receptor D1 y la mayoría en los sitios de unión AP-.
Alteraciones en el sistema mesocorticolímbico
Al contrario de la mayoría de los estudios centrados en el núcleo accumbens, Febo et al. sugirió que el circuito cerebral de recompensa no es el único sistema involucrado en comportamientos adictivos. El conocimiento previo ha sugerido que los estimulantes inducen cambios en la expresión génica en las partes principales de los circuitos mesolímbicos (incluyendo el área tegmental ventral, el estriado ventral / núcleo accumbens y la corteza prefrontal ) y juegan un papel importante en el desarrollo y mantenimiento del estado adicto y la remodelación de la cromatina..
Aplicaron este conocimiento para investigar si estos cambios en la expresión génica están involucrados en las adaptaciones conductuales y moleculares relacionadas con la cocaína. Encontraron patrones inesperados de activación cerebral en ratas despiertas que fueron expuestas al butirato de sodio, un inhibidor de HDAC (o HDACi).
Una dosis aguda resultó en una activación generalizada de BOLD ( dependiente del nivel de oxígeno en sangre ) en el cerebro anterior y el cerebro medio, pero la activación inducida por cocaína se atenuó significativamente después de la exposición repetida. El co-tratamiento con butirato de sodio con cocaína restableció la activación de BOLD pronunciada después de sucesivos tratamientos con cocaína.
Estos sugieren que la respuesta inicial del cerebro a la exposición repetida a la cocaína desencadena una desensibilizaciónmecanismo que puede ser volcado por pretratamiento con butirato de sodio. El circuito neuronal para las modificaciones epigenéticas que contribuyen a la sensibilidad a la cocaína no se limitó al sistema de dopamina mesocorticolímbico («sistema de recompensa») como esperaban.
En cambio, vieron que los circuitos corticolimbianos (implicados en la emoción y la memoria ) tenían un papel más importante en las alteraciones de los comportamientos de recompensa relacionados con HDACi. La evidencia de que la mejora mediada por HDACi de los efectos sensibilizadores de un estimulante es específica del contexto e implica el aprendizaje asociativo.
Tratamiento
A partir de mayo de 2014, no existe una farmacoterapia efectiva aprobada para la adicción a la cocaína. Los inhibidores de HDAC han sido implicados como un tratamiento potencial para la adicción a la cocaína.
La terapia cognitiva conductual es actualmente el tratamiento clínico más efectivo para la adicción a los psicoestimulantes en general.
Referencias
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Fuentes
- Fuente: www.ncbi.nlm.nih.gov
- Fuente: doi.org
- Fuente: pubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- Fuente: ui.adsabs.harvard.edu
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