物質（藥物）濫用與成癮係一跨種族、跨文化的現象，記載於許多歷史文件之中。時至今日，許多國家每年都要為此編列高額的勒戒預算。早期勒戒失敗，往往被認為只是個人「意志不堅」，不過越來越多的研究證據都顯示：成癮藥物會在腦中帶來分子的乃至神經連結、結構上的根本改變。舉例來說，興奮劑（如：古柯鹼）和鴉片類藥物（如：海洛因、嗎啡）都會造成中腦邊緣路徑（mesolimbic pathway）（註一）中多巴胺系統的強化。其中興奮劑會作用在位於伏隔核（nucleus accumbens，NAc）中的多巴胺神經元末梢以抑制多巴胺再吸收（而增加突觸間多巴胺濃度）；而鴉片類藥物則會抑制腹側背蓋區（ventral tegmental area，VTA）中的中間神經元（interneuron）釋放 γ-aminobutyric acid（GABA），達到去除對多巴胺神經元抑制的效果。
腦源性神經營養因子（brain-derived neurotropic factor，BDNF）也被認為與成癮現象有關。BDNF 的重要性在於它在神經可塑性（neural plasticity）中扮演著決定性的角色，在古柯鹼刺激下，中腦邊緣路徑上的神經元 BDNF 表現量將會增加，使多巴胺系統的迴路被強化。那麼，鴉片類的藥物使否也有類似的情形呢？答案竟是否定的。在先前 2012 年來自美國西奈山伊坎醫學院的 Ja Wook Koo 等人發表在《Science》雜誌上的一篇研究就已指出：長期使用嗎啡會藉由抑制 VTA 中 BDNF 來促進多巴胺的釋放（ref. 2）。如果能夠找到 BDNF 被抑制的機轉，或許就能解開嗎啡、海洛因等藥物的成癮之謎。
今年三月 Ja Wook Koo 等人在《Nature Neuroscience》以表觀遺傳學角度為這個難題提出了解答。首先，研究團隊發現長期使用嗎啡會使大鼠 VTA 中 Bdnf 的轉錄出現停滯的情形（RNA Pol II 的 pSer5 在啟動子的比例增加，而 pSer2 在外顯子的比例降低）；為了瞭解 RNA Pol II 在 Bdnf 啟動子的停滯與哪些組蛋白標記（histone mark）以及組蛋白修飾酶（histone modifying enzyme）有關，研究團隊進行一系列定量染色質免疫沉澱（quantitative chromatin immunoprecipitation，qChIP），發現在 Bdnf 啟動子位置上有顯著降低的 acH3 和顯著增加的 H3K27me3。前者與組蛋白去乙醯酶（histone deacetylase，HDAC）在啟動子的結合增加有關（註二），後者則與 Polycomb repressive complex 2（PRC2）的結合增加相關。這些組蛋白修飾的變化很可能都是造成 Bdnf 轉錄下降的原因。
除了組蛋白標記，cAMP response element binding protein（CREB）在其他系統也被認為在 Bdnf 轉錄中扮演關鍵的角色。在長期使用嗎啡的大鼠 VTA 中，雖然 CREB 與 Bdnf 啟動子的結合增加，但實際上具活性的 CREB（即 phosphorylated CREB，pCREB）在 Bdnf 啟動子的結合卻大幅下降。當我們以 Cre-loxP 系統在正常大鼠中剔除 Creb 以後，也可觀察到 Bdnf 轉錄減少的情形；而當我們過度表現大鼠 VTA 中 PRC2 時，則可觀察到 pCREB 在 Bdnf 啟動子結合能力大幅減弱的情形。這說明了 Bdnf 啟動子會因為 H3K27me3 的增加而降低 pCREB 的結合能力，進而減少 Bdnf 的轉錄。
最後，研究團隊還針對 NURR1（nuclear receptor related-1）進行調查。先前研究指出 NURR1 是調控 Bdnf 表現的轉錄因子之一，同時 Nurr1 的表現也會受 CREB 的影響。研究團隊在長期使用嗎啡的大鼠中發現 Nurr1 的轉錄量因其啟動子上 H3K27me3 含量增加而使 pCREB 結合減少，因而降低了 Nurr1 的表現。這連帶造成 Bdnf 啟動子上結合的 NURR1 的下降，造成 Bdnf 表現的減少。
本研究從 Bdnf 表現的表觀遺傳調控為鴉片類藥物的成癮機制提供了多面相的解答。未來如果能夠找到方法促進 VTA 中 BDNF 的表現，或許就能為嗎啡、海洛因的成癮找到解方。至於究竟鴉片類藥物是透過何種方式造成 Bdnf 啟動子的相關組蛋白標記的改變，將會是未來研究的重點。
※ 註一：中腦邊緣路徑（mesolimbic pathway）是大腦中重要的酬賞路徑（reward pathway），連結伏隔核（nucleus accumbens）和腹側背蓋區（ventral tegmental area）兩個重要的解剖構造。
※ 註二：研究團隊同時還發現在 Bdnf 啟動子上有增加的 H3K4me3，雖然該組蛋白標記通常與基因的表達有正相關，不過也有研究指出 H3K4me3 可以幫助 HDAC 的結合，進而抑制基因轉錄。
長期使用嗎啡會造成以表觀遺傳學的方式，在腹側背蓋區（VTA）抑制 Bdnf 基因的表現。圖片來源：https://tinyurl.com/y87dtyds
參考資料：
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Koo, J. W., Mazei-Robison, M. S., LaPlant, Q., Egervari, G., Braunscheidel, K. M., Adank, D. N., . . . Nestler, E. J. (2015). Epigenetic basis of opiate suppression of Bdnf gene expression in the ventral tegmental area. Nat Neurosci, 18(3), 415-422. doi:10.1038/nn.3932
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Koo, J. W., Mazei-Robison, M. S., Chaudhury, D., Juarez, B., LaPlant, Q., Ferguson, D., … Nestler, E. J. (2012). BDNF Is a Negative Modulator of Morphine Action. Science, 338(6103), 124-128. doi:10.1126/science.1222265
撰稿 | 柏雅
修訂 | 林映希
