Transcription Factors ∆FosB and CREB in Drug Addiction : Studies in Models of Alcohol Preference and Chronic Nicotine Exposure

Abstract

Neuroadaptive changes that develop during repeated exposure to abused drugs are thought to lead to drug addiction. Transcription factors regulate gene expression and are interesting candidates for mediators of the molecular mechanisms underlying addiction. The purpose of the present study was to clarify the role of the transcription factors ∆FosB and CREB in addiction, especially in the sensitization phenomenon thought to be important in addiction. The brain dopaminergic systems are firmly linked with sensitization and other components of addiction and were thus in focus. Studies were performed using two animal models: mice exposed chronically to nicotine in a way that mimics several aspects of human smoking and rat lines selectively bred for differential alcohol consumption.

One aim of the present work was to clarify the effects of long-term drug exposure on the expression of ∆FosB and CREB. Chronic oral nicotine exposure in mice decreased accumbal CREB phosphorylation but did not alter ∆FosB expression. In contrast, locomotor-sensitizing 5-day nicotine administration evoked accumbal ∆FosB induction. Thus, drug-induced ∆FosB expression may preferentially involve the induction of behavioral sensitization. Chronic oral nicotine exposure cross-sensitizes mice to morphine. In contrast to control mice, morphine increased CREB phosphorylation in the dopaminergic cell body areas of nicotine-exposed mice. This effect may contribute to the nicotine-evoked enhanced behavioral effects of morphine observed in these mice. Furthermore, levels of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) were elevated in several addiction-related brain regions after long-term abstinence from nicotine, suggesting the involvement of BDNF in the long-lasting addictive properties of nicotine.

Alcohol-preferring AA rats were more susceptible to the rewarding effects of cocaine and morphine than alcohol-avoiding ANA rats. In addition to cocaine and morphine, nicotine sensitized the locomotor activity of AA rats more than that of ANA rats, indicating that AA rats have generally increased vulnerability to drugs of abuse. ∆FosB expression in the nucleus accumbens core of AA rats was higher than in that of ANA rats, suggesting that elevated accumbal ∆FosB expression predisposes individuals to the addictive properties of drugs. Enhanced psychomotor sensitization to cocaine in AA rats correlated with cocaine-induced accumbal ∆FosB expression, indicating a role for this transcription factor in cocaine sensitization. Psychomotor sensitization to nicotine in these rats was accompanied by nicotine-induced accumbal ∆FosB expression and sensitized dopamine release, but the enhanced sensitization in AA rats involved additional mechanisms. Morphine sensitization was not associated with accumbal changes in ∆FosB expression or CREB phosphorylation: however, the rapid morphine-evoked elevation of ∆FosB levels in the caudate-putamen of AA rats and the differential influence of morphine on CREB phosphorylation in the prefrontal cortex between AA and ANA rats are likely related to the different behavioral effects of morphine in these rats.

In conclusion, the ∆FosB expression paralleled psychomotor sensitization to nicotine, but altered expression of either ∆FosB or CREB does not unequivocally explain the behavioral sensitization to morphine. The present findings indicate a role for ∆FosB in psychomotor sensitization to cocaine. Thus, when a drug treatment or genetic factors lead to increased ∆FosB expression, ∆FosB is likely to contribute to enhanced susceptibility to the reinforcing effects of addictive drugs.

Päihteet aktivoivat aivojen dopamiinihermojärjestelmiä. Toistuvan päihdealtistuksen aikana näissä hermojärjestelmissä tapahtuvien muutosten ajatellaan johtavan riippuvuuden kehittymiseen. Geenien ilmentymistä säätelevien transkriptiotekijöiden on arveltu olevan osallisena addiktion molekyylitason mekanismeissa. Tämän väitöskirjatutkimuksen tavoitteena oli selkeyttää kahden transkriptiotekijän, ∆FosB:n ja CREB:n, roolia addiktiossa, etenkin herkistymisilmiössä, jota pidetään tärkeänä osana addiktion kehittymistä. Tutkimukset suoritettiin käyttäen kahta eläinmallia: kroonisesti nikotiinialtistetuttuja hiiriä sekä alkoholin kulutuksen suhteen geneettisesti eroavia rottia.

Yhtenä päämääränämme oli selvittää pitkäaikaisen päihdealtistuksen vaikutuksia ∆FosB:n ja CREB:n ilmentymiseen. Krooninen oraalinen nikotiinialtistus, jossa hiiret saavat tupakoitsijoiden tapaan aktiiviaikanaan toistuvasti pieniä nikotiiniannoksia, vähensi CREB:n aktiivisuutta accumbens-tumakkeessa, mutta ei vaikuttanut ∆FosB:n ilmentymiseen. Liikeaktiivisuuden herkistävä nikotiinin anto sitä vastoin lisäsi ∆FosB:n määrää, joten ∆FosB voikin olla yhteydessä nikotiiniherkistymisen kehittymiseen. Kroonisen nikotiinialtistuksen on havaittu lisäävän hiirten herkkyyttä morfiinille. Toisin kuin verrokeissa, nikotiinialtistetuissa hiirissä morfiini lisäsi CREB:n aktiivisuutta dopaminergisten hermoratojen lähtöalueilla, mikä saattaa liittyä herkkyyteen morfiinin riippuvuutta aiheuttaville vaikutuksille. Lisäksi havaitsimme muutoksia hermokasvutekijä BDNF:n määrässä sekä nikotiinialtistuksen aikana että pitkäaikaisen vieroituksen jälkeen. Tämä havainto tukee ajatusta kroonisen nikotiinialtistuksen pitkäaikaisesta hermostoa muovaavasta vaikutuksesta.

Alkoholia mielellään juovien AA rottien havaittiin olevan alkoholia välttäviä ANA rottia herkempiä kokaiinin ja morfiinin palkitseville vaikutuksille. Kuten kokaiini ja morfiini, myös nikotiini herkisti liikeaktiivisuutta enemmän AA kuin ANA rotissa, joten AA rotat näyttävät olevan kaiken kaikkiaan alttiimpia eri päihteille. ΔFosB:n ilmentyminen oli suurempaa AA rottien accumbens-tumakkeessa ANA rottiin verrattuna viitaten siihen, että accumbens-tumakkeen korkea ΔFosB:n ilmentyminen voi altistaa yksilön päihteiden riippuvuutta aiheuttaville ominaisuuksille. Kokaiinin AA rotissa aikaansaama liikeaktiivisuuden herkistyminen korreloi kokaiinin accumbens-tumakkeessa nostaman ∆FosB:n ilmentymisen kanssa, joten ∆FosB näyttää liittyvän kokaiiniherkistymiseen. Liikeaktiivisuuden herkistyminen nikotiinille AA ja ANA rotissa liittyi accumbens-tumakkeen dopamiinin vapautumisen lisääntymiseen ja ΔFosB:n ilmentymisen kasvuun, mutta nämä tekijät eivät yksin selitä AA rottien suurempaa herkistymistä nikotiinille. Morfiini sen sijaan ei vaikuttanut accumbens-tumakkeen ΔFosB:n tai CREB:n ilmentymiseen. Toisaalta AA rottien alttiuteen morfiinin käyttäytymisvaikutuksille saattaa myötävaikuttaa morfiinin vaikutukset dorsaalistriatumin ΔFosB:n ilmentymiseen sekä morfiinin erilainen vaikutus AA ja ANA rottien etuaivokuoren CREB aktiivisuuteen.

Yhteenvetona voidaan siis todeta, että päihteiden tai geneettisten tekijöiden aikaansaama kohonnut ∆FosB:n ilmentyminen todennäköisesti lisää herkkyyttä päihteille, vaikka ∆FosB ei saatujen tulosten perusteella ole välttämätön herkistyneelle päihdevasteelle. ∆FosB näyttää liittyvän kokaiiniherkistymisen kehittymiseen. Lisäksi se näyttää olevan yhteydessä nikotiinin liikeaktiivisuutta herkistävään vaikutukseen, mutta muutokset ∆FosB:n ilmentymisessä tai CREB:n aktiivisuudessa eivät yksiselitteisesti selitä herkistyneitä käyttäytymisvasteita morfiinille.