Un complejo programa genético inicia cambios cerebrales en respuesta a la cocaína
Jeremy Day. Crédito: UAB
El laboratorio de Jeremy Day, Ph.D., en la Universidad de Alabama en Birmingham, ha utilizado enfoques de secuenciación de ARN de un solo núcleo para comparar las respuestas transcripcionales a la cocaína aguda en 16 poblaciones celulares únicas de una parte del cerebro llamado núcleo accumbens, o NAc. Este atlas molecular es «un nivel nunca antes alcanzado de resolución celular para la regulación génica mediada por la cocaína en esta región», dijo Day, profesor asociado en el Departamento de Neurobiología de la UAB.
El atlas fue solo el comienzo de un importante estudio, publicado en la revista Science Advances, que utilizó múltiples tecnologías de vanguardia para describir una firma de expresión génica inducida por la dopamina que regula la respuesta del cerebro a la cocaína.
«Estos resultados marcan un avance sustancial en nuestra comprensión de los procesos neurobiológicos que controlan las adaptaciones relacionadas con las drogas», dijo Day. «También revelan nueva información sobre cómo los mecanismos transcripcionales regulan los procesos dependientes de la actividad dentro del sistema nervioso central».
Los enfoques utilizados en este estudio, dice Day, también pueden ayudar a diseccionar el papel de programas genéticos similares que median otros tipos de comportamiento, formación de memoria o trastornos neuropsiquiátricos.
La NAc está profundamente involucrada en la adicción a las drogas, y una comprensión detallada de cómo las drogas alteran sus circuitos neuronales para iniciar un comportamiento adictivo puede sugerir nuevas intervenciones terapéuticas. El NAc es un integrador central del circuito de recompensa del cerebro, y todas las drogas adictivas elevan agudamente el nivel del neurotransmisor dopamina en el NAc. La señalización de dopamina durante el uso repetido de drogas conduce a cambios generalizados en la expresión génica, iniciando alteraciones en los circuitos sinápticos neurales y cambios en el comportamiento asociado con la adicción a las drogas.
Estudios previos de cambios en la expresión del gen NAc solo pudieron observar tejido a graneluna mezcla de muchos tipos de células diferentes. Cuando el laboratorio de Day observó los cambios de células individuales mediante la secuenciación de ARN de 15.631 núcleos de NAc de ratas individuales, encontraron una sorpresa. Solo una pequeña fracción de las neuronas en el NAc respondió transcripcionalmente a la administración de cocaína, principalmente un subgrupo específico de neuronas espinosas medianas que expresan el receptor de dopamina Drd1.
A continuación, los investigadores definieron exhaustivamente la estructura del gen central que se activa cuando la dopamina se añade a un sistema de cultivo de neuronas estriatales. Similar a las respuestas en el NAc de rata después de la administración de cocaína, la activación transcripcional ocurrió predominantemente en las neuronas espinosas medianas del receptor Drd1. Day y sus colegas identificaron un conjunto central de alrededor de 100 genes alterados por la dopamina, que también se correlacionaron con genes clave activados en el NAc de ratas que recibieron cocaína.
Se ha planteado la hipótesis de que los programas de expresión génica en el cerebro funcionan en concierto para producir efectos posteriores sobre la función y el comportamiento neuronal. Sin embargo, hasta hace poco, los investigadores carecían de una forma de probar los programas clave de expresión génica, lo que requiere la inducción de múltiples genes al mismo tiempo.
Day y sus colegas diseñaron una matriz de ARN-guía CRISPR multiplexada para apuntar a 16 de los principales genes candidatos alterados por la dopamina. Cuando se combinaron con un sistema de activación CRISPR/cas9 muerto optimizado para neuronas, pudieron regular al alza simultáneamente los 16 genes en cultivos neuronales o en el NAc de ratas vivas. Luego exploraron las consecuencias transcripcionales, fisiológicas y conductuales.
En el cultivo neuronal primario, la inducción de esta firma genética produjo cambios transcripcionales a gran escala que se enriquecieron con los genes implicados en la plasticidad sináptica, la morfogénesis neuronal y la función de los canales iónicos. . Este programa también aumentó significativamente la frecuencia de activación de las ráfagas de neuronas. En ratas vivas, la inducción de la firma genética produjo sensibilización a la administración repetida de cocaína. Estos cambios observados en el cultivo neuronal y en ratas vivas son similares a los cambios neuronales y de comportamiento iniciados por las drogas de abuso.
Day dice que el estudio de su grupo es la primera prueba de principio de que la activación de CRISPR puede ser utilizado para la regulación simultánea y selectiva de una firma de expresión génica in vivo.
«Criticamente», dijo Day, «estos resultados representan la primera demostración de nuestro conocimiento sobre la regulación génica multiplexada en cualquier modelo neuropsiquiátrico, proporcionando una hoja de ruta para futuros estudios para investigar la relación entre los programas genéticos alterados y los estados de enfermedad neuronal.
«Si bien el presente trabajo proporciona información sobre cómo la diversidad celular contribuye a las respuestas transcripcionales después de una experiencia inicial con cocaína», dijo Day, «la exposición repetida a Las drogas de abuso promueven adaptaciones neurofisiológicas que se cree que impulsan la búsqueda compulsiva de drogas mucho después de dejar de usarlas. Por lo tanto, será fundamental que los estudios futuros amplíen este trabajo al examinar la consecuencia transcripcional del uso repetido o autoadministrado de drogas a nivel de una sola célula, así como comprender cómo se mantienen estos cambios dentro de diferentes poblaciones celulares durante períodos más largos. del tiempo y como resultado de la experiencia voluntaria con las drogas».
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Algunas personas son adictas a las drogas con facilidad, pero otras no, según muestra una nueva investigación. Más información: Katherine E. Savell et al, Una firma de expresión génica inducida por dopamina regula la función neuronal y la respuesta a la cocaína, Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aba4221 Información de la revista: Science Advances
Proporcionado por la Universidad de Alabama en Birmingham Cita: Un programa genético complejo inicia cambios cerebrales en respuesta a la cocaína (2020, 9 de julio) recuperado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-07-complex- gene-brain-response-cocaine.html Esto hace documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.