DNA methylation in the predisposition, expression and abstinence of cocaine addiction

Abstract

Ravimsõltuvus on ajuhaigus, milles psühhoaktiivne aine kutsub esile füüsilisi, psüühilisi häireid, sotsiaalse toimimise puudujääki ja töövõimekuse halvenemist. Haigus kujuneb välja aegamööda, tekitades püsivaid neurobioloogilisi muutusi, mis võivad kesta ka pärast sõltuvust tekitavate ainete kasutamise lõpetamist. Korduv psühhostimulaatori (kokaiini) manustamine põhjustab katseloomadel võimendunud käitumisvastuse (käitumusliku sensitisatsiooni), mis modelleerib sõltuvuskäitumist ja kokaiini psühhootilisi komplikatsioone inimesel. Sõltuvuse väljakujunemise riskitegur on varajases elueas kogetud stress. Psühhostimulaatorid põhjustavad muutusi geeniekspressioonis, mõjutades omakorda närviraku ülesehitust, närviimpulsi ülekannet ja närviringide toimimist. DNA metülatsioon on mehhanism rakus, mis vahendab geeniekspressiooni muutusi vastusena keskkonna- ja arengumõjuritele. DNA metüleerimist viivad läbi ensüümid DNA metüültransferaasid (DNMT). Käesoleva doktoritöö eesmärk oli uurida, katseloomade käitumise ja molekulaarsel tasemel, kas kokaiini poolt põhjustatud DNA metülatsiooni muutused võivad olla ravimsõltuvuse tundlikkuse, sõltuvuse avaldumise ja võõrutuse üheks mehhanismiks. Samuti oli doktoritöö eesmärgiks hinnata, kas stress mõjutab DNA metülatsiooni protsesse ajus. Töö tulemused näitasid, et varajase eluea stress suurendab DNMTde ekspressiooni ja ensüümiaktiivsust rottide ajus glükokortikoidi retseptori rakusisese signaalraja kaudu, mis võib viia püsivate geeniekspressiooni muutusteni ja kokaiini tundlikkuse suurenemiseni. Samuti leidsime, et korduva kokaiini manustamine hiirtele suurendab DNMTde ensüümiaktiivsust käitumusliku sensitisatsiooni väljendumis- ja abstinentsifaasis ning osad kokaiinist tingitud DNMTde muutused aju naalduvas tuumas on sarnased muutustele katseloomade leukotsüütides. Dnmt3a geeni vähendamine ajus põhjustas suuremat käitumuslikku sensitisatsiooni selle väljaarenemise, kuid mitte võõrutuse vältel, seega Dnmt3a geenil on oluline roll sõltuvuse väljakujunemise ajal. DNA metülatsioon võib olla oluline sõltuvuse arengus ja võõrutusfaasis säilitamaks muutusi geeniekspressioonis. DNMT aktiivsus võib olla kandidaat kokaiini tarbimise määramisel pärast aine metaboliseerimist.

SUD is a brain disease, where a psychoactive substance triggers physical, psychological problems or decrease in social functioning. SUD develops progressively and causes persistent neurobiological changes that may endure after substance use has ceased. Repeated cocaine administration causes an enhanced behavioral response in rodents (behavioral sensitization) that models addictive behavior and psychotic complications of cocaine in humans. Early life stress is a risk factor for the development of SUD. Psychostimulants (e.g. cocaine) cause changes in gene expression that alter neuronal morphology, signaling and the functioning of neural circuits. DNA methylation is a cellular mechanism that mediates gene expression changes in response to environmental and developmental stimuli. The enzymes DNA methyltransferases perform DNA methylation. The aim of the dissertation was to assess on behavioral and molecular level whether cocaine induced changes in DNA methylation may underlie individual sensitivity, expression and abstinence of substance abuse. Additional aim of the dissertation was to evaluate how stress affects DNA methylation in the brain. The results showed that early life stress increases DNMT expression and enzyme activity in rodent brain via an intracellular signaling pathway of glucocorticoid receptor that may lead to persistent changes in gene expression and increased sensitivity to cocaine. We also found that repeated cocaine administration to mice increased DNMT activity in the expression and abstinence of behavioral sensitization and some cocaine-induced DNMT changes in the nucleus accumbens are similar to changes in mice leukocytes. Reduction in Dnmt3a gene expression increased behavioral sensitization, but not during abstinence, thus Dnmt3a has an important role during the development of SUD. DNA methylation may be important in the development and abstinence phase of drug abuse to maintain changes in gene expression. DNMT activity may be a candidate for determining cocaine use after the drug has been metabolized.