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。
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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