一种复杂的基因程序引发了大脑对可卡因的反应

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一种复杂的基因程序引发了大脑对可卡因的反应

伯明翰阿拉巴马大学的杰里米·戴博士的实验室使用了单核RNA测序方法,比较了来自大脑伏隔核(NAc)的16个独特细胞群对急性可卡因的转录反应。UAB神经生物学系副教授Day说,这个分子图谱是“在该区域可卡因介导的基因调节的细胞分辨率方面,以前未达到的水平”。

该图谱只是一项发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的重大研究的开始,这项研究使用多种尖端技术来描述多巴胺诱导的基因表达信号,该信号调节大脑对可卡因的反应。

“这些结果标志着我们对控制药物相关适应性的神经生物学过程的理解取得了重大进展,”Day说。“他们也揭示了关于转录机制如何调节中枢神经系统内的活动依赖过程的新信息。”

戴说,在这项研究中使用的方法也可能有助于剖析类似基因程序的作用,这些基因程序介导了其他类型的行为、记忆形成或神经精神疾病。

NAc与药物成瘾密切相关,对药物如何改变其神经回路从而引发成瘾行为的详细了解可以为新的治疗干预提供建议。NAc是大脑奖赏回路的中枢整合者,所有成瘾药物都会急剧提高NAc中神经递质多巴胺的水平。多巴胺信号在反复使用药物导致广泛的基因表达变化,开始改变神经突触回路和改变行为与药物成瘾。

以前关于NAc基因表达变化的研究只能观察大块组织——许多不同细胞类型的混合。当日间实验室通过对15631个大鼠NAc细胞核进行rna测序来观察单个细胞的变化时,他们发现了一个惊喜。NAc中只有一小部分神经元对可卡因给药有转录反应——主要是表达Drd1多巴胺受体的中等棘神经元的一个特定亚簇。

接下来,研究人员全面地定义了当多巴胺被添加到纹状体神经元培养系统中时被激活的核心基因结构。与可卡因给药后大鼠NAc的反应相似,转录激活主要发生在drd1 -受体介质的刺状神经元中。Day和他的同事们确定了一组由大约100个基因被多巴胺改变的核心基因,这些基因也与被给予可卡因的老鼠的NAc中激活的关键基因有关。

假设大脑中的基因表达程序协同工作,对神经元的功能和行为产生下游影响。然而,直到最近,研究人员还缺乏一种方法来测试关键的基因表达程序,这需要同时诱导多个基因。

Day和他的同事设计了一个多路CRISPR导联rna阵列,以16个被多巴胺改变的首选候选基因为靶点。当与神经优化的CRISPR/dead-Cas9激活系统配对时,他们能够在神经培养或活鼠的NAc中同时上调这16个基因。然后他们研究了转录、生理和行为方面的影响。

在原代神经元培养中,该基因签名的诱导产生了大规模的转录变化,丰富了涉及突触可塑性、神经元形态形成和离子通道功能的基因。这个程序也显著地增加了神经元爆发的频率。在活鼠中,基因标记的诱导产生了对反复使用可卡因的敏感性。这些在神经培养和活鼠中看到的变化与滥用药物引起的神经和行为变化相似。

Day说,他的小组的研究是第一个证明CRISPR激活可以在体内同时选择性地调节基因表达特征的原则证据。

“重要的是,”Day说,“据我们所知,这些结果首次证明了神经精神病学模型中的多路基因调控,为未来研究改变的基因程序和神经疾病状态之间的关系提供了路线图。”

“虽然目前的工作提供了对细胞多样性如何在最初的可卡因体验后促进转录反应的见解,”Day说,“重复暴露于滥用药物促进神经生理适应,被认为是促使强迫性药物寻求停止使用后很长时间。因此,这将是未来的研究扩大的关键在这个工作通过检查重复的转录后果或自行在单个细胞水平药物使用,维护以及理解这些变化在不同细胞群在很长一段时间,由于意志药物体验。”