MeCP2與物質相關障礙的研究進展

沈寶玉楊根夢劉鵬亮王 上洪仕君李利華

(昆明醫科大學法醫學院,昆明 650500)

物質相關障礙(substance-related disorders,SRDs)主要包括:酒精相關障礙(alcohol-related disorders)、苯丙胺相關障礙(amphetamine-related disorders)、可卡因相關障礙(cocaine-related disorders)及阿片相關障礙(opioid-related disorders)等。SRDs作為嚴重的世界公共衛生問題,給家庭和社會衛生事業帶來了巨大負擔[1]。甲基化CpG序列結合蛋白2(methyl-CpG-binding protein 2,MeCP2)是一種與甲基化CpG特異性結合的染色體蛋白,在調節基因表達方面發揮重要作用[2],其生物學功能表現為促進神經系統發育、調節神經發生及分化、調節突觸及神經回路形成、成熟大腦功能維持等[3]。越來越多的研究表明,MeCP2作為中樞神經系統功能的關鍵調節因子,在SRDs中發揮重要作用。本文針對MeCP2與多種SRDs的研究進行綜述,為SRDs相關研究提供參考。

1 MeCP2與酒精相關障礙

作為酒精消費大國,中國成年人總體飲酒率為30.5%,男性飲酒率高達53.8%,其中約四分之一的飲酒者每日飲酒[4]。此外,過量飲酒引發的酒精相關障礙已經成為迫待解決的世界衛生問題[5]。越來越多的研究表明,MeCP2在酒精相關障礙中扮演著重要角色。

胎兒酒精譜系障礙(fetal alcohol spectrum disorders,FASD)是一組由于孕期母體飲酒導致胎兒生長缺陷的疾病,是一種常見的酒精相關障礙[6]。Kim等[7]研究發現,孕鼠酒精重復攝入可致其后代出現了多動、注意力缺陷及易沖動等行為改變。而在子代前額葉皮質和紋狀體中,MeCP2表達下調、多巴胺轉運體(dopamine transporter,DAT)及去甲腎上腺素轉運體(norepinephrine transporter,NET)表達上調,并與母體酒精攝入呈劑量依賴性。這些結果表明,產前暴露于酒精可誘發鼠類后代行為控制障礙,這可能與MeCP2介導的表觀遺傳變化和兒茶酚胺神經遞質轉運系統異常有關[7]。Shukla等[8]研究發現,孕期小鼠酒精攝入可誘導其雄性子代出現社交行為缺陷,而額葉皮質中MeCP2轉錄下調,白介素6(interleukin-6,IL-6)、白介素1β(interleukin-1β,IL-1β)、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等轉錄上調,并伴隨著血清中的IL-6、IL-1β及TNF-α水平上調;但雌性子代并無上述變化。而對于類Toll受體4(toll-like receptor 4,TLR4)缺失的孕鼠而言,酒精攝入不能誘導其雄性子代出現上述變化[8]。這表明TLR4介導的MeCP2和炎癥因子轉錄參與了雄性FASD中社交行為缺陷的形成。此外,孕鼠產前和產后的聯合酒精攝入也能下調其子代海馬中MeCP2的轉錄水平[9]。Gangisetty等[10]的研究發現,大鼠孕期攝入酒精可誘導其雄性子代下丘腦內側葉中MeCP2的表達上調,并伴隨著前阿片黑素細胞皮質激素(proopiomelanocortin,POMC)基因的轉錄下調。而MeCP2表達抑制后,酒精誘導的POMC轉錄下調也隨之恢復。此外,母體酒精攝入也上調了其雄性子代下丘腦中促腎上腺皮質激素釋放激素(corticotropin-releasing hormone,CRH)的轉錄;而下丘腦-垂體-腎上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal,HPA)軸應激反應上調了促腎上腺皮質激素(adreno-cortico-tropic-hormone,ACTH)及皮質酮(corticosterone)在血漿中的釋放,當MeCP2表達抑制后,上述改變均恢復正常。綜上所述,MeCP2在FASD中起著重要的調控作用,其中可能涉及兒茶酚胺轉運系統、炎癥反應及激素分泌,從而影響個體行為控制及社交行為反應。

MeCP2不僅在FASD中起著關鍵的調控作用,也在個體大腦發育的不同階段中,調控著機體對酒精攝入的行為及神經反應。Subbanna等[11]的研究發現,新生小鼠早期的酒精攝入可誘導其大腦皮質和海馬中DNA甲基化下調,并伴隨著MeCP2的表達下調。而在大麻素1型受體(cannabinoid receptor type-1,CB1R)表達抑制后,酒精誘導的MeCP2表達下調也隨之恢復。此外,在CB1R敲除小鼠中,CB1R的缺失也阻斷了酒精對MeCP2的下調作用。另一方面,半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(Caspases)的廣譜抑制劑Q-VD-Oph亦可逆轉酒精對MeCP2的抑制作用。該研究進一步發現,在新生小鼠和成年小鼠中,酒精攝入均能下調其大腦皮質和海馬中環磷腺苷效應元件結合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)磷酸化及活性調節細胞骨架相關蛋白(activity regulated cytoskeleton-associated protein,Arc)的表達,并誘導成年小鼠空間及社交認知缺陷,而Q-VD-Oph均能逆轉這些改變[11]。因此,機體發育早期的酒精攝入可通過CB1R及Caspases通路調控MeCP2的表達,在個體上表現為空間及社交認知缺陷。對于成年個體而言,酒精慢性攝入可致成年大鼠內側前額葉皮質MeCP2的轉錄及表達上調,而在酒精短期攝入的成年大鼠中,MeCP2的轉錄及表達沒有明顯變化[12]。Repunte-Canonigo等[13]的研究發現,在小鼠慢性酒精攝入的戒斷期,其內側前額葉皮質及伏隔核中出現了MeCP2的轉錄上調;而MeCP2308/y突變小鼠比正常小鼠攝入更少的酒精,并對酒精攝入具有較高的敏感性,酒精撤消后伴隨著更為嚴重的戒斷癥狀;但在等量的酒精攝入后,MeCP2308/y突變小鼠與正常小鼠的血液酒精濃度并無區別。

以上研究表明,MeCP2在酒精相關障礙中發揮著重要的調節作用,而在個體大腦發育的不同階段及腦區,MeCP2對酒精相關障礙起著差異調節作用。在大腦發育早期,MeCP2可通過調控基因表達、兒茶酚胺轉運系統、炎癥反應及激素分泌,從而影響個體行為控制、社交行為及空間認知反應;而在成年大腦中,MeCP2主要介導了個體的酒精反應及攝入。

2 MeCP2與苯丙胺相關障礙

苯丙胺(amphetamine,AMPH),也稱安非他明,苯丙胺類毒品是AMPH及其衍生的一系列精神刺激劑(psychostimulants),主要包括甲基苯丙胺(methamphetamine,METH)、2,5-二甲氧-4-甲基苯丙胺(2,5-dimethoxy-4-methylamphetamine)、3,4-亞甲二氧苯丙胺(3,4-methylenedioxyamphetamine)、N-甲基-3,4-亞甲二氧苯丙胺(n-methyl-3,4-methylenedioxyamphetamine)等。以往的20多年間,苯丙胺相關障礙逐漸成為了嚴重的公共衛生問題,針對苯丙胺類毒品問題急需系統的研究、預防和治療方案[14]。大量研究表明,MeCP2在苯丙胺相關障礙形成中起著重要作用,但MeCP2調控苯丙胺相關障礙的具體機制尚存爭議。

Deng等[15]的研究發現,小鼠伏隔核中MeCP2的表達抑制或MeCP2基因的整體缺失均可增加AMPH誘導的條件位置偏愛(conditioned place preference,CPP)效應和行為敏化(behavioral sensitization)。此外,MeCP2對于小鼠伏隔核中γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid,GABA)能突觸的形成是很重要的,這些突觸可能會影響小鼠對精神刺激劑的行為反應,而MeCP2缺失減弱了AMPH誘導的神經突觸可塑性和即刻早期基因(immediate early genes,IEGs)表達[15]。同時,急性AMPH攝入可顯著誘導小鼠伏隔核MeCP2 Ser421位點磷酸化,該誘導作用是通過多巴胺D1受體(dopamine receptor D1,DRD1)信號通路介導的[15]。Deng等[16]進一步研究發現,缺乏MeCP2 Ser421位點磷酸化的小鼠對急性AMPH攝入有正常的行為反應;而在AMPH重復攝入情況下,該種小鼠對AMPH誘導的行為反應有較低的閾值,并伴隨著中間多棘神經元的興奮性降低及伏隔核GABA能神經元中IEGs的表達下調。綜上研究結果,在個體腦發育過程中,MeCP2的激活可促進抑制性神經元的突觸形成,進而在AMPH誘導的獎賞行為中發揮抑制作用;而成熟個體中MeCP2表達的局部改變可能作為一種自我平衡的補償機制來限制AMPH的獎賞特性。

與上述研究不同,在METH自我給藥的大鼠模型中,METH顯著誘導了大鼠行為敏化及其伏隔核中MeCP2的表達,而通過慢病毒轉染降低成年大鼠伏隔核中MeCP2的表達可抑制大鼠對METH的行為反應[17]。此外,Wu等[18]的研究發現,METH重復攝入可顯著誘導小鼠行為敏化,并伴隨著小鼠內側前額葉皮質、伏隔核中MeCP2的表達上調。Jiang等[19]的研究發現,METH急性攝入后可顯著降低大鼠黑質中MeCP2與編碼α-突觸核蛋白(αsynuclein)的Snca基因結合。此外,METH重復攝入亦可下調小鼠海馬中MeCP2的表達,并誘導突觸素(synaptophysin,Syn)啟動子區低甲基化、突觸縮短及空間記憶增強;而在前額葉皮質中,METH誘導了MeCP2高表達、Syn啟動子區高甲基化、突觸密度增高及認知記憶削弱[20]。

綜上所述,MeCP2對神經突觸可塑性具有重要的調控作用,在苯丙胺類相關的獎賞行為、空間記憶及認知記憶方面扮演著重要角色;而對于AMPH和METH研究中MeCP2的差異調節作用目前還沒有合理的解釋,是否因AMPH和METH在結構上的不同引起了這種差異調節作用,還需更多研究。其中MeCP2對大腦發育過程中的差異調控可能部分解釋了這種差異調節作用。

3 MeCP2與可卡因相關障礙

可卡因(cocaine)是一種從古柯樹和葉子中提取的生物堿,名為古柯堿,具有強效的中樞興奮作用和藥物依賴性。過去的十多年間,可卡因相關障礙日益嚴重,給公共衛生事業帶來了嚴重的負擔[21]。以往的研究表明,MeCP2在可卡因相關障礙中發揮著重要的調控作用。

Im等[22]的研究表明,可卡因長期攝入可上調大鼠紋狀體中MeCP2的表達,并伴隨著前額葉皮質的表達下調。此外,在可卡因長期攝入的大鼠中,紋狀體MeCP2的表達抑制可限制大鼠可卡因攝入,該限制作用可能是通過上調microRNA-212(miR-212)的表達,并進一步激活CREB信號通路而發揮作用的;而在可卡因短期攝入的大鼠中,MeCP2表達抑制對大鼠可卡因攝入并無明顯影響。另一方面,在可卡因攝入的大鼠紋狀體中,miR-212過表達抑制了MeCP2的表達上調;而在可卡因長期攝入的大鼠中,該抑制作用更加顯著[22]。該研究進一步發現,可卡因長期攝入可上調大鼠紋狀體中腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)的表達,而紋狀體中MeCP2表達抑制或miR-212過表達均能顯著抑制BDNF的表達上調。此外,在可卡因長期攝入的大鼠紋狀體中,BDNF過表達可促進大鼠可卡因攝入,而BDNF表達抑制可削弱大鼠可卡因攝入[22]。上述研究結果表明,在大鼠紋狀體中存在著MeCP2與miR-212相互抑制的穩態作用,該穩態作用調節著BDNF對大鼠可卡因攝入的調控作用,其中可能涉及CREB信號通路。

最近的研究表明,在可卡因相關性障礙中,MeCP2對BDNF的轉錄調控并不局限于與miR-212的相互抑制作用。在可卡因自我給藥的大鼠中,可卡因能誘導海馬和伏隔核中MeCP2的表達上調,但在前額葉皮質中并沒有顯著的上調作用。此外,可卡因可顯著上調海馬中MeCP2 Ser421位點磷酸化[23]。而可卡因對MeCP2 Ser421位點磷酸化的誘導作用在以往的研究中,已被深入探討。Mao等[24]的研究發現,可卡因攝入可在大鼠紋狀體和伏隔核中誘導MeCP2 Ser421位點磷酸化,該誘導作用在伏隔核中出現較早且持久,而紋狀體中pMeCP2的誘導需要NMDA谷氨酸受體(n-methyl-d-aspartate glutamate receptor)的參與。此外,可卡因攝入可誘導小鼠伏隔核中MeCP2 Ser421位點磷酸化[15],而缺乏MeCP2 Ser421位點磷酸化的小鼠中對可卡因攝入具有較高的行為敏化反應,并伴隨著伏隔核中CREB的表達下調[16]。

大量的研究表明,MeCP2在可卡因相關障礙中的調控作用可能涉及更多的轉錄調控機制。Deschatrettes等[25]的研究發現,在大鼠前額葉皮質中定位注射高劑量環磷酸鳥苷(cyclic GMP,cGMP)類似物Br-cG可顯著降低大鼠可卡因攝入,并伴隨著前額葉皮質、伏隔核及紋狀體中MeCP2的表達下調。Anier等[26]的研究發現,可卡因可誘導蛋白磷酸酶-1催化亞基(protein phosphatase-Ⅰcatalytic subunit,PPⅠc)啟動子高甲基化和MeCP2的結合增加,并伴隨著PPⅠc的表達抑制;而IEGs中fosB啟動子低甲基化和MeCP2的結合減少,并伴隨著fosB的表達上調。此外,可卡因可誘導MeCP2308/y突變小鼠行為敏化和IEGs中Fos、Junb及Arc基因的轉錄;相對野生型小鼠而言,MeCP2308/y突變小鼠對可卡因攝入具有較高的行為敏化,并伴隨著Junb和Arc基因的轉錄上調[27]。

綜上研究結果,MeCP2在可卡因相關障礙形成中扮演重要角色,其中主要涉及MeCP2對BDNF、PPⅠc及IEGs等基因的表達調節作用,而該調節作用可能由miR-212和cGMP等介導,最終反映為MeCP2對可卡因獎賞行為的調控作用。

4 MeCP2與阿片相關障礙

阿片(opium),也稱鴉片,是罌粟殼及其未成熟種子的風干滲出液。其中包含許多生物堿,但只有嗎啡、可待因和罌粟堿等具有臨床意義。而阿片相關障礙是阿片類藥物攝入后產生的嚴重副作用,也限制了阿片類藥物在臨床上的應用[28]。大量研究表明,MeCP2也參與了阿片相關障礙的形成。

以往的研究表明,MeCP2在阿片相關障礙的行為學改變中起著重要的調控作用,其中主要涉及MeCP2的轉錄調控作用。Zhang等[29]的研究發現,嗎啡攝入可誘導小鼠CPP效應形成,而嗎啡誘導的CPP效應隨嗎啡攝入劑量的增加而上調。此外,杏仁中央核(central nucleus of the amygdala,CeA)中MeCP2和BDNF表達上調、轉錄抑制組蛋白二甲基轉移酶(transcriptionalrepressorhistone dimethyltransferase)G9a表達下調,而MeCP2與G9a基因啟動子結合增加、G9a在BDNF基因啟動子上的結合減少。當小鼠杏仁中央核中MeCP2表達抑制后,BDNF表達下調、G9a表達上調,而MeCP2與G9a基因啟動子結合減少、G9a在BDNF基因啟動子上的結合增加,嗎啡誘導的CPP效應也隨之削弱。Moulaei等[30]研究雌性大鼠嗎啡慢性攝入對子代空間記憶能力的影響,發現其第一代和第二代子代中,雄性大鼠空間記憶能力明顯下降,并伴隨著海馬中MeCP2的表達上調;而雌性子代的空間記憶能力及MeCP2表達無明顯變化。

最近的研究表明,MeCP2對阿片相關障礙的調控作用可能也涉及了microRNA的參與。海洛因慢性攝入可下調大鼠伏隔核中miR-218水平,而miR-218可直接靶定于MeCP2[31]。此外,大鼠伏隔核中miR-218過表達可限制大鼠的海洛因尋求行為;而在MeCP2308/y突變小鼠中,大鼠的海洛因尋求行為也被顯著削弱[31]。Jimenez-Gonzalez等[32]的研究發現,嗎啡可誘導斑馬魚胚胎中miR-212下調及miR-132上調,而μ阿片受體(opioid receptors mu,OPRM)拮抗劑納洛酮可顯著逆轉嗎啡的誘導作用。此外,該研究通過熒光素酶測定(luciferase assay)發現斑馬魚中miR-212/132與MeCP2的直接結合,而該結合作用調控著BDNF及其受體酪氨酸激酶受體B(tyrosine receptor kinase B,TrkB)的表達。

綜上研究表明,MeCP2通過G9a和microRNA調控著BDNF及TrkB的表達,而在個體上表現為對CPP效應、空間記憶和藥物尋求的調控作用。

5 MeCP2與SRDs的行為反應

SRDs是一系列軀體及精神障礙,對于動物而言,表現為行為控制下降、社交行為缺陷、空間障礙及認知障礙,還包括CPP效應、行為敏化、藥物尋求等獎賞行為。在SRDs的一系列行為反應過程中,MeCP2起著重要的調控作用。目前的研究發現,MeCP2可調控POMC、IEGs、Snca、PPⅠc、BDNF及TrkB等基因的表達,其中涉及了CB1R、Caspase、CREB、DRD1等通路及microRNA和DNA甲基化的參與,進而引起激素分泌、炎癥反應及神經突觸可塑性方面的改變,最終調控SRDs的行為反應。

注:在大腦發育的不同階段,酒精及精神刺激劑調節幾個腦區中MeCP2的表達。圖1 MeCP2在SRDs中的表達情況Note.At different stages of brain development,alcohol and psychostimulants regulate the expression of MeCP2 in several brain regions.Figure 1 Expression of MeCP2 in SRDs

6 小結與展望

以往的研究表明,在大腦發育的不同階段,酒精及精神刺激劑均能誘導不同腦區中MeCP2的差異表達(圖1),而MeCP2在時段和部位的差異表達是其對SRDs調控的基礎。MeCP2對SRDs的調控機制主要涉及基因表達調控(包括POMC、IEGs、Snca、PPⅠc、BDNF及TrkB等基因),從而引起生物學功能改變(包括激素分泌、炎癥反應及神經突觸可塑性等),最終反應為MeCP2對行為學的影響(包括獎賞行為、社交行為、認知行為及空間記憶等)(圖2)。綜合來看,MeCP2對SRDs的調控作用可能是多效應穩態的結果,調控機制較為復雜,目前的研究尚不充分,還需更深入的研究。今后的研究可綜合基因表達、生物學功能和行為學三個層面,并結合體內、體外實驗全面地探討MeCP2對SRDs的調控機制;而研究MeCP2在SRDs中的調控機制對于酒精、毒品及其戒斷干預研究具有重要的理論價值和現實意義,這也是SRDs研究的新視角和方向。

圖2 MeCP2在SRDs中的調控網絡Figure 2 Regulatory network of MeCP2 in SRDs