Комплексная генная программа инициирует изменения мозга в ответ на кокаин

By Алина Игнатенко No comments

Сложная генная программа инициирует изменения мозга в ответ на кокаин
Джереми Дэй. Кредит: UAB

В лаборатории доктора философии Джереми Дея из Университета Алабамы в Бирмингеме использовались подходы секвенирования одноядерных РНК для сравнения транскрипционных ответов на острый кокаин в 16 уникальных клеточных популяциях из той части мозга, которая называется Ядро прилежащее, или NAc. Этот молекулярный атлас является «ранее недостигнутым уровнем клеточного разрешения для кокаин-опосредованной регуляции генов в этом регионе», — сказал Дей, доцент кафедры нейробиологии UAB.

Атлас был только началом крупного исследования, опубликованного в журнале Science Advances, в котором использовались различные передовые технологии для описания индуцированной дофамином сигнатуры экспрессии генов, которая регулирует реакцию мозга на кокаина.

«Эти результаты знаменуют существенный прогресс в нашем понимании нейробиологических процессов, которые контролируют адаптацию, связанную с наркотиками», — сказал Дэй. «Они также раскрывают новую информацию о том, как транскрипционные механизмы регулируют зависимые от активности процессы в центральной нервной системе».

Подходы, использованные в этом исследовании, говорит Дэй, могут также помочь проанализировать роль аналогичных программ генов, которые опосредуют другие типы поведения, формирование памяти или психоневрологические расстройства.

NAc глубоко вовлечен в наркоманию, и детальное понимание того, как наркотики изменяют его нервную схему, чтобы вызвать привыкание, может предложить новые терапевтические вмешательства. NAc является центральным интегратором цепи вознаграждения мозга, и все наркотики, вызывающие привыкание, резко повышают уровень нейротрансмиттера дофамина в NAc. Передача сигналов допамина при повторном употреблении наркотиков приводит к широко распространенным изменениям в экспрессии генов, инициируя изменения в нервной синаптической цепи и изменения в поведении, связанные с наркоманией.

Предыдущие исследования изменений в экспрессии генов NAc позволили взглянуть только на объемную ткань — смесь различных типов клеток. Когда лаборатория Day изучила изменения отдельных клеток с помощью РНК-секвенирования 15 631 ядра ядер NAc крыс, они обнаружили сюрприз. Лишь небольшая часть нейронов в NAc была транскрипционно чувствительной к введению кокаина — в основном, это специфический подкластер средних колючих нейронов, которые экспрессируют рецептор допамина Drd1.

Затем исследователи всесторонне определили структуру ядра гена, которая активируется при добавлении дофамина в систему культивирования нейрона. Подобно ответам в крысином NAc после введения кокаина, транскрипционная активация преимущественно происходила в колючих нейронах со средой Drd1-рецепторной среды. Дей и его коллеги идентифицировали основной набор из примерно 100 генов, измененных дофамином, что также коррелировало с ключевыми генами, активированными в NAc крыс, получавших кокаин.

Было выдвинуто предположение, что программы экспрессии генов в мозге работают согласованно, чтобы оказывать последующее воздействие на функции и поведение нейронов. Однако до недавнего времени у исследователей не было возможности протестировать программы экспрессии ключевых генов, которые требовали бы одновременного запуска нескольких генов.

Дей и его коллеги разработали мультиплексированную матрицу CRISPR-гид-РНК для нацеливания на 16 генов-кандидатов, измененных дофамином. В сочетании с нейрон-оптимизированной системой активации CRISPR/dead-Cas9 они были способны одновременно активировать 16 генов в нейрональных культурах или в NAc живых крыс. Затем они изучили транскрипционные, физиологические и поведенческие последствия.

В первичной культуре нейронов индукция этой генной сигнатуры приводила к широкомасштабным транскрипционным изменениям, которые были обогащены генами, участвующими в синаптической пластичности, морфогенезе нейронов и функции ионных каналов. Эта программа также значительно увеличила частоту вспышек нейронов. У живых крыс индукция генной сигнатуры вызывает сенсибилизацию к повторному введению кокаина. Эти изменения, наблюдаемые в культуре нейронов и живых крыс, аналогичны изменениям в нейронах и поведении, вызванным наркотиками.

Дей говорит, что исследование его группы — первое доказательство принципа, что активация CRISPR может использоваться для одновременной и селективной регуляции сигнатурной экспрессии гена in vivo.

«Критически, — сказал Дей, — эти результаты представляют собой первую демонстрацию — насколько нам известно — мультиплексной регуляции генов в любой нейропсихиатрической модели, предоставляя дорожную карту для будущих исследований по изучению взаимосвязи между измененными генными программами и состояниями нейронных заболеваний».

«Хотя настоящая работа дает представление о том, как клеточное разнообразие способствует транскрипционным реакциям после первоначального употребления кокаина, — сказал Дэй, — повторное воздействие наркотиков на злоупотребление способствует нейрофизиологическим адаптациям, которые, как считается, стимулируют навязчивый поиск наркотиков в течение длительного времени после прекращения курения». Следовательно, для будущих исследований будет важно расширить эту работу, изучив транскрипционные последствия многократного или самостоятельного употребления наркотиков на уровне отдельных клеток, а также понять, как эти изменения поддерживаются в различных клеточных популяциях. в течение более длительных периодов времени и в результате волевого опыта употребления наркотиков. «

Добавить комментарий