成癮相關(guān)記憶的表觀遺傳學(xué)機制

成癮相關(guān)記憶的表觀遺傳學(xué)機制

摘要成癮相關(guān)記憶長期性的腦機制一直是藥物成癮研究領(lǐng)域的難點與熱點，該文簡要介紹了成癮記憶長期性分子機制的研究脈絡(luò)，提示表觀遺傳學(xué)修飾可能是研究藥物成癮的新視角。成癮藥物可以調(diào)節(jié)染色體不同亞型組蛋白乙酰化水平，不同基因DNA的甲基化程度從而改變?nèi)旧w的空間結(jié)構(gòu)，進而調(diào)節(jié)基因的表達導(dǎo)致成癮，特別是DNA甲基化改變的相對的穩(wěn)定性可能是成癮記憶長期存在的分子基礎(chǔ)。記憶再鞏固過程中學(xué)習(xí)記憶相關(guān)腦區(qū)的記憶促進基因與記憶抑制基因的表現(xiàn)遺傳學(xué)改變可能是未來研究的新趨勢。

關(guān)鍵詞藥物成癮，表觀遺傳學(xué)，組蛋白乙?；?，DNA甲基化。

藥物成癮作為一種慢性復(fù)發(fā)性腦疾病。復(fù)吸率達95％以上。環(huán)境線索誘發(fā)的復(fù)吸一直是藥物成癮治療的難題，大多成癮者在經(jīng)過戒毒治療之后對環(huán)境刺激沒有明顯的渴求和復(fù)吸傾向，但離開戒毒所回到原來的生活環(huán)境之后，又會出現(xiàn)很高的復(fù)吸率。主要原因就是成癮藥物導(dǎo)致的異常記憶的長期存在所致?！鱂osB是目前成癮與學(xué)習(xí)記憶相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)保持時間最長的分子，但其時間長度顯然無法與成癮行為及成癮記憶的長期性相匹配。成癮記憶長期性的分子機制有待進一步探索。神經(jīng)細胞中唯一保持穩(wěn)定的就是染色體組，研究表明DNA甲基化等表觀遺傳學(xué)的改變是發(fā)育過程中細胞記憶的重要分子基礎(chǔ)，進而維持細胞在分裂過程中保持表型的相對穩(wěn)定，尤其是某些基因的甲基化能使該基因永久沉默和不再激活，有可能是細胞分化結(jié)束后記憶長期保持的重要分子機制。提示表觀遺傳變異的長時穩(wěn)定性也許可作為成癮長期性的非常重要的候選機制。因此，表觀遺傳學(xué)有可能為成癮記憶長期存在的腦機制研究提供新視角，并且為藥物成癮的臨床治療提供新的思路。

2成癮記憶長期性分子機制的研究進展

學(xué)習(xí)記憶的異常改變是藥物成癮長期存在的重要原因

藥物成癮的形成是從偶爾或控制性使用藥物發(fā)展到不可控制的強迫性使用藥物的過程，其主要特征是產(chǎn)生不惜一切代價的覓藥行為并長期保持這一行為。這一過程伴隨著學(xué)習(xí)記憶功能的變化。大量研究表明，不論是學(xué)習(xí)記憶還是成癮過程都使相應(yīng)腦區(qū)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生長時程變化從而導(dǎo)致行為改變。藥物成癮過程與學(xué)習(xí)記憶可能存在相同的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)。行為學(xué)實驗表明二者作用于相同的腦區(qū)，學(xué)習(xí)記憶過程中起關(guān)鍵作用的相關(guān)腦區(qū)(如，海馬)參與成癮藥物的強化效應(yīng)，在藥物成癮過程中起關(guān)鍵的作用的中腦多巴胺系統(tǒng)也參與學(xué)習(xí)記憶過程；電生理實驗證明二者有相同的細胞機制，盡管成癮藥物主要通過中腦多巴胺系統(tǒng)產(chǎn)生強化作用，學(xué)習(xí)記憶過程主要發(fā)生于海馬、杏仁核、前額葉皮層等腦區(qū)，但兩個過程都在相應(yīng)腦區(qū)出現(xiàn)細胞突觸長時程增強(LTP)或長時程抑制(LTD)現(xiàn)象；分子生物學(xué)研究表明，學(xué)習(xí)記憶和成癮的形成無論發(fā)生在哪一腦區(qū)，不論是通過何種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制最終大多匯聚于環(huán)一磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB，cAMP-responseelementbindingprotein)，并通過CREB調(diào)控相應(yīng)的靶基因改變細胞的可塑性。此外，某些個體初次接觸成癮藥物就能產(chǎn)生深刻記憶從而形成和維持強迫性用藥行為；戒斷很長一段時間的成癮行為仍能由條件線索誘發(fā)。以上事實表明學(xué)習(xí)記憶功能的異常改變并長期保持是產(chǎn)生藥物成癮的重要原因。

成癮相關(guān)記憶長期性的分子生物學(xué)機制

成癮藥物進入體內(nèi)會導(dǎo)致海馬、前額葉皮層、中腦腹側(cè)被蓋區(qū)(VTA)及伏隔核等學(xué)習(xí)記憶相關(guān)腦區(qū)的多巴胺、谷氨酸等神經(jīng)遞質(zhì)釋放的異常變化，通過作用于相應(yīng)的受體引發(fā)一系列分子事件，包括激活細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，改變神經(jīng)營養(yǎng)因子、轉(zhuǎn)錄因子、即刻早期基因或染色體的結(jié)構(gòu)等，并最終引起突觸的可塑性、甚至神經(jīng)元的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致成癮記憶的長期存在。因此闡明成癮記憶長期性與頑固性的分子機制是治療藥物成癮的關(guān)鍵。

CREB是目前研究最多的與成癮記憶密切相關(guān)的分子機制之一，大多數(shù)成癮藥物都可以通過直接或間接途徑增加多巴胺的釋放，然后通過作用于D1受體增加cAMP的釋放從而活化PKA，使CREB磷酸化調(diào)控靶基因的轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)成癮藥物的行為效應(yīng)。CREB也是哺乳動物長時記憶形成的必要環(huán)節(jié)，促進海馬、杏仁核CREB的活動的動物學(xué)習(xí)記憶能力增強。因此，CREB在藥物成癮與學(xué)習(xí)記憶相關(guān)基因表達過程中起樞紐作用，參與成癮記憶的形成。長期慢性成癮藥物處理可使cAMP/PKA/CREB通路的功能上調(diào)，導(dǎo)致異常的記憶形成。毋庸置疑，cAMP/PKA/CREB通路的變化是成癮記憶產(chǎn)生的關(guān)鍵分子機制之一，但是CREB的變化在停止藥物使用后幾天內(nèi)便恢復(fù)正常，不能解釋藥物戒斷后很長一段時間內(nèi)(甚至終身)成癮記憶長期存在這一客觀事實?？赡艿慕忉屖荂BEB的變化是啟動而不是維持成癮記憶長期存在的更加穩(wěn)定的分子機制的必要環(huán)節(jié)。

△FosB是目前成癮與學(xué)習(xí)記憶領(lǐng)域內(nèi)保持時間最長的分子，在成癮藥物急性作用下通過cAMP/PKA/CREB通路誘發(fā)即刻早期基因c-fos、c-jum的表達，但在數(shù)小時后便恢復(fù)到正常水平?！鱂osB也是Fos蛋白家族成員之一，但對藥物的急性效應(yīng)無明顯的反應(yīng)。相反在成癮藥物的反復(fù)作用下，△FosB的表達逐漸增加，而c-fos、c-jun的表達逐漸減少?！鱂osB蛋白具有較高的穩(wěn)定性，在停止藥物后數(shù)月內(nèi)都保持相對穩(wěn)定?！鱂osB一旦形成后便能調(diào)節(jié)許多靶基因表達，細胞周期素依賴激酶5(cdk5)基因便是其調(diào)控的最重要的靶基因之一，參與神經(jīng)元的生長。因此，△FosB的高表達能夠增強突觸的可塑性，甚至改變神經(jīng)元的形態(tài)，維持成癮記憶的長期性。但是△FosB蛋白的變化在停止藥物后只能保持幾個月，其時間長度仍然無法與成癮行為及成癮記憶的長期性相匹配。

成癮記憶長期性的表觀遺傳學(xué)研究

表觀遺傳學(xué)(Epigenetics)是研究核苷酸序列不發(fā)生改變的情況下，基因表達了可以遺傳的變化的一門遺傳學(xué)分支學(xué)科。其中DNA甲基化的改變一般不可逆轉(zhuǎn)，是發(fā)育過程中細胞記憶的重要分子基礎(chǔ)，維持細胞在分裂過程中保持表型的相對穩(wěn)定。由此推測表觀遺傳學(xué)的變化，尤其是基因的甲基化能使該基因永久沉默和不再激活，有可能是細胞分化結(jié)束后記憶長期保持的重要分子機制?？梢酝茰yDNA甲基化等表觀遺傳學(xué)的改變可能是成癮記憶長期存在的分子基礎(chǔ)之一。

真核生物的遺傳信息主要儲存在染色體上，染色體的基本結(jié)構(gòu)主要是H2A、H2B、H3、H4四種組蛋白構(gòu)成的八聚體以及纏繞在上面的DNA所組成。染色體空間結(jié)構(gòu)的變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子與相關(guān)基因的結(jié)合，從而控制基因的表達。表觀遺傳學(xué)機制主要通過改變?nèi)旧w的空間構(gòu)型來影響基因的表達，主要包括DNA甲基化、組蛋白修飾(包括乙?；⒓谆?、磷酸化等)、染色體重塑和非編碼RNA(如RNAi)等作用方式。DNA甲基化、組蛋白修飾和染色質(zhì)重塑之間是相互作用的，染色質(zhì)的重塑和組蛋白的去乙酰化是相互依賴的，DNA甲基化可能需要組蛋白去乙酰化酶(HDACs)的活動或染色質(zhì)的重塑中的成分參與。通常，DNA甲基化、組蛋白去乙酰化和染色質(zhì)的壓縮狀態(tài)和DNA的不可接近性，以及基因處于抑制和沉默狀態(tài)相關(guān)；而DNA的去甲基化、組蛋白的乙?；腿旧|(zhì)松散狀態(tài)，則與轉(zhuǎn)錄的啟動、基因活化和行使功能有關(guān)。DNA甲基化是最早發(fā)現(xiàn)的基因表觀修飾方式之一，可能存在于所有高等生物中。DNA甲基化能關(guān)閉某些基因的活性，去甲基化則誘導(dǎo)了基因的重新活化和表達。DNA的甲基化是在DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶(DNMTs)的作用下使CpG二核苷酸5’端的胞嘧啶轉(zhuǎn)變?yōu)?I甲基胞嘧啶。乙?；D(zhuǎn)移酶(HATs)主要是在組蛋白H3、H4的N端尾上的賴氨酸加上乙?；ヒ阴；?HDACs)則相反。不同位置的修飾均需要特定的酶來完成，通過這些酶作用改變?nèi)旧w的空間結(jié)構(gòu)。

成癮藥物會導(dǎo)致VTA、NAe和其他相關(guān)腦區(qū)的mRNA水平的改變。這些基因表達的變化在戒斷后可存月余。這些長時程的變化使人們將研究染色質(zhì)重塑作為長時程甚至終身持續(xù)影響大腦獎賞區(qū)域的基因表達的分子基礎(chǔ)。最近研究表明，早期接觸成癮藥物不改變基因編碼而調(diào)控基因活性的表觀遺傳學(xué)機制，對成熟的神經(jīng)元具有長效作用從而增加成年后的成癮易感性，并且在急性或慢性接觸成癮藥物的過程中表現(xiàn)出不同的作用機制。

急性可卡因注射導(dǎo)致紋狀體的e-Fos和FosB表達，并且這個現(xiàn)象與給藥后30分鐘內(nèi)的H4乙酰化的短暫增加有關(guān)。CBP因為其內(nèi)在的組蛋白乙酰化活性，在藥物導(dǎo)致的FosB基因組蛋白乙?；^程中起了重要的介導(dǎo)作用，并且也可能在其他基因中也起了類似的作用。急性可卡因注射也能誘導(dǎo)出e-Fos基因啟動子的H3的乙酰化，并且這種作用需要蛋白激酶MSK1。相對于急性處理，慢性可卡因處理和自我給藥可以激活或者抑制許多不同的基因。比如急性或者慢性處理都會產(chǎn)生FosB基因，但是急性暴露使H4產(chǎn)生乙?；蕴幚硎笻3產(chǎn)生乙?；?。慢性成癮藥物處理后特異性誘導(dǎo)的基因，比如Cdk5和Bdnf基因也表現(xiàn)出H3的乙?；?，并且得到證明的確是這種表觀遺傳學(xué)的變化引起來特定基因表達的變化。因為慢性處理后的戒斷期，出現(xiàn)了可卡因引起的BDNF啟動子的組蛋白乙酰化，組蛋白修飾的變化是先于這個區(qū)域BDNFmRNA和蛋白質(zhì)的增加。

在急性和慢性給藥引起的表觀遺傳學(xué)修飾不同，存在著由H4乙酰化向H3乙?；霓D(zhuǎn)變。在海馬急性和慢性電刺激之后也會有這種類似的轉(zhuǎn)變。這提示H3乙酰化可能象征著一種染色質(zhì)變化的信號，代表持久穩(wěn)固或者重復(fù)激活的基因的。HATs(組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶)和HDACs(組蛋白去乙酰化酶)對于H3H4的特定乙?；鶜堄嗟拇呋磻?yīng)的特異性現(xiàn)在知之甚少。急性或慢性處理之后，HATs或HDACs對于基因調(diào)控的截然相反的作用可能介導(dǎo)了H4乙酰化向H3乙?；霓D(zhuǎn)變。

全基因組水平的表觀遺傳修飾的檢測手段使相關(guān)基因的篩查更為有效?？煽ㄒ蛘{(diào)控Cdk5和Bdnf基因的組蛋白乙?；?，使應(yīng)用染色體免疫沉淀芯片(ChIPonChiD)或SACO[301的方法探索全基因組層面的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的檢測方法顯示出重要作用，提示染色質(zhì)水平的失調(diào)可能導(dǎo)致可卡因成癮?；蚪M層面的表觀遺傳學(xué)方法在發(fā)育和腫瘤生物學(xué)領(lǐng)域曾發(fā)現(xiàn)了許多令人振奮的結(jié)果，現(xiàn)在類似的研究正在成癮研究中進行。現(xiàn)在Nestler的實驗室初步鑒定了幾百個慢性可卡因處理后顯著過高或過低乙?；幕?。

此外，慢性可卡因處理可引起甲基化CPG島結(jié)合蛋白2(MeCP2)與甲基化CPG島結(jié)合蛋白MBD1的高表達，通過蛋白去乙?；敢种葡掠位虻谋磉_參與成癮過程。以上結(jié)果提示染色體重塑(組蛋白乙?；cDNA甲基化)可能在成癮記憶的形成與保持過程中起關(guān)鍵作用，從而為成癮記憶長期性的分子機制提供了新的研究思路。目前研究初步發(fā)現(xiàn)組蛋白去乙?；敢种苿?HDAC)參與苯丙胺行為敏感化的聯(lián)想性學(xué)習(xí)記憶過程，這些結(jié)果表明表觀遺傳學(xué)的變化參與維持成癮過程中神經(jīng)適應(yīng)性的變化。

盡管在許多成癮關(guān)鍵因子中發(fā)現(xiàn)了表觀遺傳學(xué)修飾，但有證據(jù)表明這些修飾可能通過不同的作用機制起作用。轉(zhuǎn)錄因子△FosB與成癮狀態(tài)的轉(zhuǎn)換有關(guān)，在NAc能顯示出在可卡因作用下大于25％的mRNA穩(wěn)定狀態(tài)所有變化。染色體免疫沉淀能顯示其中一種mRNA的反應(yīng)，可卡因能引起Cdk5基因14的△FosB直接激活，而Bdnf基因則不是直接激活△FosB，說明這些基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的變化不是通過相同的機制。Cdk5基因的激活部分介導(dǎo)了慢性可卡因引起的NAc中的樹突可塑性。這些發(fā)現(xiàn)都支持這樣一個模型：△FosB的積累和特定啟動子的染色體重塑因子相互作用在成癮的發(fā)展和維持中發(fā)揮重要作用。

3研究展望

表觀遺傳學(xué)和藥物成癮都不是新興的研究領(lǐng)域，但是從表觀遺傳學(xué)角度研究成癮問題，是近幾年興起的一個研究熱點。從表觀遺傳變異解釋藥物成癮的神經(jīng)可塑性變化和精神依賴，為成癮藥物獎賞性的后天獲得和成癮相關(guān)記憶長時存在都提供了很有力的解釋機制。目前對于成癮進程中的一些關(guān)鍵因子的組蛋白乙?；辛顺醪降难芯浚芯康慕Y(jié)果使我們看到了更多表觀遺傳機制在藥物成癮研究領(lǐng)域的前景。

成癮記憶再鞏固過程的表觀遺傳機制研究

近幾年來，記憶再鞏固是學(xué)習(xí)記憶領(lǐng)域里的一個研究熱點，結(jié)果表明記憶再鞏固與記憶鞏固存在部分共同的神經(jīng)機制，但它不是鞏固過程的延續(xù)，而是記憶過程中的一個獨立現(xiàn)象，存在特有的神經(jīng)機制。再鞏固理論為成癮記憶的長期性提供了一種新的解釋機制，在特定環(huán)境使用成癮藥物會激活已經(jīng)形成的成癮記憶，被激活的記憶后會變得不穩(wěn)定，在成癮藥物作用下能夠促進記憶的再鞏固過程，使原有的記憶痕跡更加牢固，多次結(jié)合后便產(chǎn)生病理性記憶，這種異常的再鞏固機制可能導(dǎo)致成癮記憶長期存在。

記憶再鞏固過程需要合成新的蛋白質(zhì)來維持原來的記憶的穩(wěn)定，記憶提取激活后在外周或記憶相關(guān)腦區(qū)(如，海馬、基底外側(cè)杏仁核、伏隔核)注射蛋白合成抑制劑能阻斷原來形成的成癮記憶。ERK是參與成癮記憶再鞏固過程的重要分子，藥物相關(guān)的環(huán)境線索在喚醒成癮記憶時能夠激活ERK的表達，記憶喚醒后抑制ERK通路可阻斷記憶的再鞏固過程，從而消除或減弱原來的成癮記憶，抑制ERK通路下游的鋅指蛋白(Zif268)的表達同樣能干擾記憶的再鞏固。說明ERK通路是成癮記憶再鞏固的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這種反復(fù)的再鞏固過程和其積累效應(yīng)會導(dǎo)致一段時間內(nèi)相關(guān)記憶不容易消退致使成癮記憶長期存在。記憶再鞏固的表觀遺傳機制研究可能是該領(lǐng)域研究的一個新的趨勢。

成癮過程中促進記憶的基因與抑制記憶基因的表觀遺傳學(xué)改變

許多基因參與記憶形成、鞏固、保持與提取過程，一類是記憶促進基因(memorypromotinggenes)，另一類是記憶抑制基因(memorysuppressinggenes)。目前大多數(shù)研究關(guān)注記憶促進基因在記憶形成過程中的作用，發(fā)現(xiàn)了一些在短時記憶轉(zhuǎn)化為長時記憶過程中起關(guān)鍵作用的基因。相對于記憶促進基因研究取得的重要進展，目前對記憶抑制基因情況知之甚少，蛋白磷酸酯酶1(proteinphosl)hatase1，PP1)與cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白2(CREB2)是目前已知的兩個抑制長時記憶形成的分子，二者都是多巴胺受體激活后誘發(fā)的cAMP/PKA/CREB通路的重要環(huán)節(jié)，抑制PP1與CREB2基因的表達則促進短時記憶向長時記憶的轉(zhuǎn)換。提示這種甲基化的發(fā)生與記憶形成過程中匹配的環(huán)境線索相聯(lián)系，即在條件化的