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表觀遺傳調控如何影響鴉片成癮?

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:

  1. 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

  2. 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

About the author

童柏雅

馬偕醫學系五年級,曾經參與中研院NPAS暑期研究,目前的興趣是協助社團寫寫小新聞,認為能夠藉由investigator社團認識到許多有趣的新知&厲害的學長姊是一件很開心的事,希望未來能夠繼續和大家一起拓展視野以及往跨領域研究的方向前進!