甲基苯丙胺使用和成瘾的表观遗传研究进展

2021-01-05 15:31成英杰孙倩倩
关键词:乙酰化表观甲基化

成英杰,孙倩倩,赵 敏

上海交通大学医学院附属精神卫生中心物质依赖与成瘾科,上海 200030

甲基苯丙胺(methamphetamine,METH)是一种苯丙胺类兴奋剂(amphetamine-type stimulants,ATS),近年来已成为我国滥用人数最多的合成毒品之一。长期使用METH会导致成瘾,造成精神障碍和认知损害[1]。药物成瘾是一种慢性复发性脑疾病,与遗传、神经发育和社会心理等因素密切相关。成瘾物质会引起多个脑区神经环路的可塑性改变,伴随脑功能包括奖赏、认知和情感等的改变[2]。

表观遗传学的概念,最初用来描述相同基因组背景下的表型变化[3]。现在通常指在DNA序列不发生变化的前提下,基因表达改变而产生的可以遗传的表型[4]。表观遗传主要包括组蛋白修饰、DNA甲基化和非编码RNA等,可能参与调控神经发育、学习和记忆等过程。目前的研究认为表观遗传与神经精神疾病的发生密切相关,包括阿尔茨海默病、抑郁症、精神分裂症和物质成瘾等[5-6]。本文对METH成瘾的表观遗传研究进行综述。

1 组蛋白修饰

真核细胞染色质的基本亚单位是核小体。核小体由长约146 bp的DNA缠绕在由组蛋白组成的八聚体(组蛋白H2A、H2B、H3和H4各2个)上形成[7]。组蛋白尾部的氨基酸残基是发生修饰的主要部位,包括甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化等。成瘾相关组蛋白修饰研究较多的是组蛋白乙酰化和甲基化。

1.1 组蛋白乙酰化

组蛋白乙酰化是最常见的一种修饰形式,主要发生在组蛋白H3和H4的赖氨酸残基上。组蛋白乙酰化会使组蛋白与DNA解离,转录因子与DNA结合从而激活转录,去乙酰化则会抑制转录。两者的动态平衡受到组蛋白乙酰转移酶和去乙酰化酶(histone deacetylases,HDACs)的共同调控[8]。

METH可以通过影响HDACs,改变脑内的组蛋白乙酰化。单次给药后大鼠伏隔核内HDAC1水平降低,引起组蛋白H4赖氨酸5位(H4K5)和8位(H4K8)乙酰化增加。HDAC2表达增加,导致H3K9、H3K18和H4K16乙酰化减少[9]。同时,H4乙酰化的增加可能与METH诱导的基因表达增加有关,包括促肾上腺皮质激素释放因子(corticotropin-releasing factor,Crf),胆 囊 收 缩 素(cholecystokinin,Cck)以及立早基因c-fos,fos-b和c-jun等。METH诱导的Hdac变化还存在时间效应和脑区特异性。单次用药后大鼠前额叶皮质(prefrontal cortex,PFC)中Hdac1和Hdac2减少,长期使用下Hdac2和Hdac4减少。戒断期Hdac2水平恢复正常,而Hdac4和Hdac5表达下降[10]。伏隔核中的变化有所不同,单次给药导致Hdac1减少,但Hdac2表达增加[9]。这些结果提示,在METH成瘾的过程中,METH可能影响不同的Hdac表达。这可能与不同Hdac的结合位点和调控作用存在差异有关,需要进一步研究明确。

METH引起的H4去乙酰化可能与谷氨酸受体改变有关[11]。长期滥用METH的大鼠纹状体内,甲基CpG结合蛋白2(methyl-CpG binding,MeCP2)、REST辅助抑制因子(REST corepressor,CoREST)和HDAC2共同形成转录抑制复合物,导致α-氨基羟甲基异唑丙酸(AMPA)受体亚单位谷氨酸受体1(glutamate ionotropic receptor AMPAα1,GluA1)和GluA2增强子或启动子上的H4K5、K12和K16低乙酰化,GluA1和GluA2表达减少。MeCP2、HDAC1和转录抑制因子(RE1 silencing transcription factor,REST)结合,N-甲基-D-门冬氨酸(NMDA)受体亚单位谷氨酸受体1(glutamate ionotropic receptor NMDA type subunit 1,GluN1)启动子H4乙酰化水平降低,GluN1表达减少。HDAC抑制剂丙戊酸(valproate,VPA)可以抑制HDAC1和HDAC2,阻断METH诱导的H4去乙酰化和谷氨酸受体减少。因而,HDAC抑制剂(HDAC inhibitor,HDACi)可能对METH引起的谷氨酸受体表达异常及精神症状有一定治疗作用。

研究表明HDACi可以影响METH成瘾行为,但是目前的研究结果并不一致[12]。VPA与METH联用可以抑制METH诱发的行为敏化[13-14];而丁酸钠(sodium butyrate,NaB)会促进METH诱导的活动增多[15]。NaB还可以促进METH诱导条件性位置偏爱(conditioned place preference,CPP)的建立,消退期间使用NaB会促进CPP消退及阻止CPP恢复[16]。研究结果的差异可能与2个因素有关:一方面,VPA和NaB都是非选择性HDACi,抑制的HDAC并不相同;另一方面,一些HDACi可能还有其他作用,例如VPA可以增强γ氨基丁酸能神经传递[13]。HDACi对METH成瘾行为的作用及其作用方式,还需要进一步研究阐明。

1.2 组蛋白甲基化

组蛋白甲基化可以发生在很多碱性残基上,主要包括精氨酸、赖氨酸和组氨酸。相比乙酰化,组蛋白甲基化对基因表达的调控作用更为复杂,既有激活转录又有抑制转录的甲基化,主要取决于甲基化位点和甲基的数目[17]。例如,H3K4与转录激活高度相关,而H3K9和K27通常起抑制作用。组蛋白甲基化也是一个可逆的过程,由组蛋白甲基转移酶和去甲基酶共同调控[7]。目前,对于METH成瘾中组蛋白甲基化的研究比较有限。戒断早期,大鼠纹状体内组蛋白H3赖氨酸4位三甲基化(H3K4me3)显著增加,然后逐渐下降,在戒断1个月左右恢复正常水平[18]。H3K4me3通常促进转录,在METH诱导的行为敏化和CPP中可能有重要作用[19-20]。间断性给药的小鼠边缘前脑中CC趋化因子受体2(C-C chemokine receptor 2,Ccr2)启动子上H3K4me3显著增加,Ccr2表达水平升高,进而促进METH诱导的行为敏化[20]。在CPP的建立阶段,METH改变了大鼠伏隔核内甲基转移酶[lysine(K)-specific methyltransferase 2A,Mll1]和去甲基酶[lysine(K)-specific demethylase 5C,Kdm5c]的表达,导致催产素受体(oxytocin receptor,Oxtr)和Fos启动子上的H3K4me3增加,Oxtr和Fos表达上调。降低Mll1的表达可以减少H3K4me3及基因表达,破坏成瘾记忆,抑制Kdm5c则有相反的作用[19]。这些研究提示,H3K4me3可能参与METH诱导的转录变化和成瘾行为,而其他位点的组蛋白甲基化在METH成瘾中的作用尚不明确。

2 DNA甲基化

DNA甲基化是将甲基转移到胞嘧啶的C5位置形成5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5-mC),主要是在富含CG的区域,即CpG岛[21]。DNA甲基化是由DNA甲基转移酶(DNA methyltransferases,DNMTs)催化的,包括DNMT1、DNMT3a和DNMT3b等[22]。通过招募转录抑制复合体或者阻止转录因子与DNA的结合,DNA甲基化可以抑制基因转录[23]。

METH会影响脑内DNMTs的表达,导致多个脑区的DNA甲基化发生改变,包括前额叶、伏隔核、纹状体、海马和黑质等[24-27]。DNA甲基化可能参与METH诱导的基因表达变化,如小鼠额叶中的细胞骨架活性调节蛋白(activity regulated cytoskeletal-associated protein,Arc)和Fos,以及海马中的Kruppel样因子(kruppel-like factor 10,Klf10)和Nr4a1[28-29]。另外,METH诱导大鼠PFC中的脑源性神经营养因子增加,可能与CpG岛DNA甲基化减少有关[26]。

部分基因的DNA甲基化改变可能与METH诱导的行为异常和认知障碍密切相关。滥用METH的大鼠纹状体和黑质内突触核蛋白α(synuclein alpha,Snca)启动子的MeCP2和DNMT1减少,DNA甲基化水平下降,Snca编码的突触核蛋白α显著增加[25,30]。纹状体中,这种改变可以持续到戒断后21 d[25]。突触核蛋白α表达增强与帕金森病患者的神经元丢失和运动障碍有关,因而可能与METH滥用增加患帕金森病的风险有关[31-32]。METH还会引起小鼠认知记忆受损和空间记忆增强,可能与PFC和海马中突触素(synaptophysin,Syn)的变化有关[27]。Syn编码突触素蛋白,主要调节突触形成和长时程增强,其缺失会导致认知障碍。PFC中,METH诱导DNMTs和MeCP2增加,导致Syn启动子DNA甲基化水平升高,Syn表达下调。海马中的变化则与PFC相反。催产素(oxytocin,OT)可以使DNMTs和MeCP2恢复正常水平,维持Syn稳定转录,阻断METH引起的认知功能改变。另外,有研究[33]指出OT还可以抑制METH诱导的CPP建立和恢复,促进CPP消退。这些结果表明,OT可能是治疗METH诱导学习记忆损伤的候选药物。

目前,大多数研究认为METH是通过改变DNMTs影响DNA甲基化水平的。但是,有研究[34]发现METH还可以减少DNA羟甲基化,使得DNA甲基化水平相对升高。这可能是通过增加10-11易位蛋白(ten-eleven translocation,TET)引起的。TET抑制剂可以阻止DNA羟甲基化,抑制METH激活的转录反应。成瘾与未成瘾大鼠的伏隔核中羟甲基化峰有显著差异,主要发生在一些钾通道编码基因上。同时,未成瘾组大鼠伏隔核中钾通道基因和蛋白表达增加[35]。对DNA甲基化和羟甲基化水平进行单独检测,可能有助于进一步阐明两者在METH成瘾中的作用。

3非编码RNA

人类基因组的大多数转录本不编码蛋白质,通常被称为非编码RNA(non-coding RNA,ncRNA)[36]。近些年来,越来越多的研究发现ncRNA参与多种生物学过程,在正常发育和多种疾病中都有重要的调节作用[37]。根据其生物学功能,ncRNA可以分为2类——管家型和调节型。管家型ncRNA在细胞中广泛表达,负责调节细胞的一般功能,包括核糖体RNA(ribosomal RNA,rRNA)和转运RNA(transfer RNA,tRNA)等。调节型RNA在表观遗传、转录和转录后水平发挥着调控基因表达的重要作用,包括微小RNA(microRNA,miRNA)、长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)和环状RNA(circular RNA,circRNA)等[38]。

3.1 miRNA

在ncRNA中,miRNA是研究得最多的。miRNA含22~23个核苷酸(nulceotide,nt),通常与靶mRNA的3′端种子区互补配对,降解mRNA或抑制翻译,从而沉默基因表达[39]。METH使用可以引起啮齿类动物脑内miRNA的广泛改变。METH成瘾小鼠的伏隔核中45个miRNA表达改变(44个上调和1个下调),包括miR-124-3p、miR-29c-3p、miR-138等[40]。过量用药的大鼠PFC中26个miRNA差异表达(13个上调和13个下调),包括miR-195、miR-222、miR-24等[41]。戒断14 d的大鼠伏隔核中也检测到了78个差异表达的miRNA(71个下调和7个上调)[42]。这些结果提示,miRNA可能参与了METH成瘾的发展,持续改变的miRNA可能与成瘾行为的维持有关。

部分miRNA可能会通过调控突触可塑性介导METH成瘾,如miR-181和miR-134。miR-181a及谷氨酸受体可能在METH成瘾发展过程中有重要作用。METH滥用者外周血中miR-181a显著降低,其调控的GluA2增加[43]。长期使用METH的大鼠伏隔核中miR-181a表达上调,可能会抑制GluA2表达并影响谷氨酸突触传递[44]。而大鼠血清外泌体中miR-181a-5p的增加,可能与METH的奖赏效应和CPP形成有关[45]。METH成瘾行为的维持可能与miR-134及LIM激酶1(LIM domain kinase 1,Limk1)的作用有关。过量使用METH的大鼠背侧纹状体中miR-134增加,进而抑制Limk1表达,参与调控突触可塑性[46-47]。进一步研究发现,降低miR-134的表达可以减少大鼠的觅药行为和METH的使用量。因而,抑制miR-181和miR-134可能会对METH的戒断和预防复吸有一定作用。

miRNA可以靶向调控炎症因子和凋亡相关基因,可能与METH引起的神经毒性有关。用METH处理小鼠小胶质细胞后,早期miR-143表达减少,凋亡调控基因(p53 up-regulated modulator of apoptosis,PUMA)的蛋白表达增加,进而激活炎症小体(NLR family pyrin domain containing 3,NLRP3),导致小胶质细胞活化[48]。METH持续作用下,miR-143作用于促凋亡基因(BCL2 binding component,Bbc3),通过对凋亡和自噬的双重调控,参与METH诱导的小胶质细胞死亡过程[49]。在小胶质细胞中过表达miR-142a-3p和miR-155-5p可以作用于泛素连接酶基因(pellino1,Peli1),阻止p38/MAPK、核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)通路及白介素6(interleukin-6,IL-6)和肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNFα)的激活,从而抑制神经炎症的发生[50]。因而,这些炎症相关miRNA可能是METH诱导神经炎症的关键因子,可以作为METH神经毒性的标志物和治疗靶点。

血液中的部分miRNA可以稳定存在,作为疾病诊断和预后评估的生物标志物[39]。在METH成瘾中,关于滥用者血浆miRNA表达谱的研究并不多。Zhao等[51]利用微阵列对METH滥用者外周血单核细胞进行筛选后,发现4个miRNA表达显著降低,包括miR-181a、miR-15b、miR-let-7e、miR-let-7d等,且其表达水平与用药次数呈负相关。Gu等[52]也发现与正常对照相比,METH滥用者的血清中有109个miRNA发生显著变化,包括miR-496-3p、miR-194-5p、miR-200b-3p和miR-181a-5p等。这些循环中改变的miRNA有望作为成瘾新的外周标志物,但是向临床转化还需要进一步研究。

3.2 其他ncRNA

lncRNA是长度超过200 nt的ncRNA,是迄今为止人类基因组中注释的最大一类ncRNA[53]。虽然大多数lncRNA的功能尚不清楚,但是已经有很多研究表明lncRNA可以在转录和转录后水平调控基因的表达[54]。高通量测序发现,METH诱导小鼠运动敏化和成瘾的同时,伏隔核内大量lncRNA的表达都有显著改变并且下调的lncRNA居多[55]。在体外实验中也发现METH处理的神经元中多个lncRNA发生改变,可能与METH诱导的神经元凋亡有关[56]。另外,lncRNA Gomafu[又称为Miat(myocardial infarction associated transcript)]敲除后小鼠对METH的反应有所增强,可能与伏隔核内多巴胺释放增多有关[57]。

circRNA是一类独特的内源性ncRNA,呈闭环结构,100~10 000 nt。circRNA在发育过程中的各种组织都有不同程度的表达,尤其是大脑。因而,circRNA在神经系统疾病的发生和发展中可能有重要的作用[58]。到目前为止,与METH相关的circRNA研究比较少。Li等[59]在体外实验中发现了119个表达上调和44个下调的circRNA,并且通过小鼠CPP实验验证了circHomer1可能与METH成瘾有关。另外,敲除circHomer1还可以通过抑制Bbc3的表达,减轻METH诱导的神经损伤。

4 小结与展望

METH使用会引起中枢神经系统的表观遗传变化,包括组蛋白修饰、DNA甲基化、非编码RNA改变等。表观遗传可以调控基因表达,引起奖赏环路的适应性改变,促进成瘾行为的发展。表观遗传修饰酶可能是治疗成瘾的潜在靶点,如HDACs和DNMTs。外周的miRNA可以作为成瘾的生物标志物。但是,目前的研究具有一定局限性。首先,动物研究采用的给药方案不同,因而结论有较大差异。自我给药是最接近人类用药的模式,可以更好地模拟成瘾的过程,获得稳定的实验结果。其次,大脑不同区域的基因表达有特异性。研究不同脑区之间的差异,可以更好地理解METH成瘾的发生机制。最后,基因表达是由多种表观遗传共同调控的。但是,大多数研究只关注一种表观遗传变化。高通量技术和生物信息学分析工具的发展,有助于揭示表观遗传与转录之间的调控作用。综上所述,现有的研究提示表观遗传可能是METH成瘾中基因表达和行为改变的关键,但是其调控过程还需要进一步研究。对METH成瘾中表观遗传变化的研究,将有助于明确METH成瘾的分子机制,为寻找新的标志物和有效的干预靶点提供理论依据。

参·考·文·献

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