BDNF基因的表观调控与药物依赖

　　BDNF基因的表观调控与药物依赖

　　谢爱民 刘连忠- 李毅 钟宝亮 郝伟 刘学兵

　　【摘要】脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)基因结构较为复杂，具有五个不同的外显子，每个转录物都包含一个唯一的启动子(PI -I到PI -V)，与PⅡ、PⅣ相比，PI与PIII具有活性较高。药物依赖引起的BDNF基因表达改变在DA及NE能等神经元的重塑、适应性改变以及病理性学习与记忆形成方面发挥了重要的作用。BDNF基因启动子乙酰化在基因转录的启动及诱导基因表达及调节成瘾行为方面起重要作用，成瘾行为中BDNF表观修饰机制尚不十分清楚，但各种表观机制将会占据非常重要位置，“表观标记”可能是包括成瘾在内的各种疾病要寻找的目标。

　　【关键词】BDNF;表观调控;药物依赖

　　【中图分类号】R749 【文献标识码】A 【文章编号】1673-2952( 2018) 05-0810-03

　　药物依赖是一种慢性反复发作性脑病，生物学因素在药物依赖中占据相当重要的地位。脑源性神经营养因子( brain-derived neurotrophic factor，BDNF)，作为一种神经营养因子，在药物依赖过程中，通过参与调节“犒赏系统”，并改变神经元的可塑性，包括DA及NE能等神经元的重塑、神经元的适应性改变以及病理性学习与记忆形成等方面发挥重要的作用，而BDNF的表观修饰是调节BDNFmRNA表达变化及在药物依赖中发挥重要作用的机制之一。

　　-BDNF的生物学特性

　　1BDNF及其受体

　　BDNF基因定位于人类llq13和鼠的12号染色体上，与神经营养因子家族的其它成员大约有50%~60%的序列相同。其基因主要在中枢神经系统表达，为脑内分布广的神经营养因子，其中以海马和皮层中含量高。BDNF受体为trkB，trkB在脑内分布基本上与BDNFmRNA相似。在中枢神经系统中，BDNF主要在神经元内合成，由轴突运输，通过激活特异性受体trkB发挥作用，活化的trkB顺序激活多种蛋白和酶，通过从Ras到Raf到MEK到ERK的激酶级联反应，将BDNF信号传至胞核，启动即早基因和延迟反应基因的转录或直接参与多种生理反应。

　　2 BDNF基因结构与修饰

　　BDNF基因结构较为复杂，具有五个不同的外显子( exonsI - IV，EI - EV)，每个转录物都包含一个唯一的启动子(PI -I到PI -V)，五个转录物有四个可变的外显子( exons)和一个共同的外显子( exonsV，EV)，而外显子I- IV则是由四个区的50个外显子交替剪切而成，位于外显子的上游，启动PI -V，则各自相应激活PV，从而启动BDNF的转录。

　　在中枢，不同作用的BDNF基因启动子调控的BDNF的多重功能。有研究报导，与PⅡ、PⅣ相比，PI与PIII具有活性较高，因此，目前研究主要集中在PI与PIII，PⅡ、PⅣ研究报导不多[II]。PI与PIII远端均有两个不同的Ca2+结合位点(左旋的电压依赖式Ca2+通道和NMDAR)，能被Ca2+分别激活，PI主要通过左旋的电压依赖式Ca2+通道激活，PIII则两者都可以激活，CREB和其他转录因子结合，协同启动PI和PIII，这可能是对Ca2+信号产生应答的一个共同的机制H1。

　　3 BDNF在成瘾行为中的作用

　　3.1 BDNF与犒赏BDNF参与药物犒赏效应的调节。研究表明，BDNF可以抑制降低吗啡依赖大鼠VTA投射道NAC中的DA神经元中酪氨酸羟化酶的活性，可卡因依赖大鼠戒断后给与线索暗示，激发大鼠对可卡因的渴求，中脑边缘BDNF水平升高，并且在VTA注射BDNF则大鼠对可卡因的渴求增强，推测BDNF通过调节酪氨酸羟化酶的活性使DA浓度升高，使药物犒赏效应增强。另有报导注射到额前皮质，可卡因渴求行为减弱，说明BDNF对犒赏行为机制十分复杂，需要进一步研究。

　　3.2 BDNF与神经可塑性依赖药物实质上是一种病理性的学习和记忆过程。在此过程中，BDNF已被证明除了促进作用长时程增强( LTP)外，还介导成瘾药物相关的突触可塑性及其诱发的行为。虽然目前在药物依赖中，我们对调节神经元结构可塑性的细胞内机制了解并不充分，但有证据表明，BDNF通过对磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)、MAPK、磷脂酶Cy( PLCgamma)，核因子K B(NFkappaB)信号传导的调节，对一系列细胞功能产生广泛影响，包括神经元的存活、生长、分化和结构等。研究表明，在可卡因依赖模型中，虽然BDNF涉及信号通路和大鼠的行为学改变，但这些行为改变，是否存在因果关系，仍然在很大程度上是未知的一。

　　二BDNF基因的表观调控与成瘾行为

　　表观遗传是指DNA编码序列不发生变化但基因表达水平却发生了可遗传的改变，这种改变是细胞内除了遗传信息以外的其他可遗传物质发生的改变，即基因型未发生变化而表型却发生了改变，且这种改变在发育和细胞分化过程中能稳定传递，对环境变化的适应也很关键。主要包括染色质重塑、DNA甲基化及组蛋白甲基化、乙酰化修饰，组蛋白甲基化情况非常复杂，存在单甲基化、双甲基化和三甲基化三种状态。每一种状态都可以通过与调节因子共同作用而对转录过程产生特定的影响。例如H3K4与基因的激活联系非常紧密，而H3K9和H3K27激活则经常是抑制作用，但调控过程并非如此简单，H3K9也可以与基因启动子的下游编码区与H3K36 -起出现，导致转录的延长[8]。

　　BDNF基因的表观调控在人与动物界的各种行为包括药物依赖中起非常重要的作用。BDNF不同的转录区活性的调控通过对转录区启动子来实现，启动子对后天修饰非常敏感。研究显示，动物行为的变化与表观修饰的改变可以产生相互影响。小鼠暴露到丰富环境3-4周，导致海马BDNF mRNA表达显著升高，且BDNF P3与P6启动子组蛋白H3K4三甲基化升高，而BDNF P4启动子的H3K9三甲基化降低，P3、P4启动子的H3K27三甲基化无显著变化，说明丰富环境升高小鼠BDNF mRNA是通过持续的表观修饰变化来实现[IOl.小鼠抑郁模型(社会失败应激)后一次应激后，海马BDNF基因启动子H3K27双甲基化升高至少持续一个月，小鼠抑郁模型(社会失败应激)后一次应激后，海马BDNF基因启动子H3K27双甲基化升高至少持续一个月，并伴随BDNF表达的下调;如果小鼠应激后服用抗抑郁药，则BDNF基因启动子H3K4双甲基升高化，且BDNF基因表达上升到正常水平，说明H3K4双甲基化与H3K27共同参与BDNF表达的调控;小鼠条件性恐惧模型建立后，选用丙戊酸(脱乙酰基酶抑制剂)在前额叶皮质注射，组蛋白H4乙酰化作用及BDNF P4基因启动子以及BDNF外显子I、ⅣmRNA表达升高[12]。说明组蛋白H4乙酰化作用在调控突触可塑性与学习和记忆中起非常重要的作用，这可能是药物依赖认知功能损害的基础。

　　BDNF的表观调控与药物依赖也有非常密切的关系。反复可卡因暴露，不管是强制给药还是自我给药，可以在伏隔核诱导BDNF基因表达的升高，其表达升高可以维持几天到几周，且在后一次注射可卡因后戒断两周内，海马BDNF H3组蛋白乙酰化显著升高;前额叶皮质也可以观察到BDNF基因及组蛋白乙酰化及基因表达的改变[13].目前研究表明，组蛋白修饰不仅仅是基因表达的反应，而可能有启动基因转录的功能。例如：大鼠自我给药可卡因后24小时内，伏隔核BDNF基因启动子乙酰化高表达[14]，但BDNF蛋白直到可卡因戒断一周后才升高到稳定状态[13]。说明BDNF基因启动子乙酰化在基因转录的启动及诱导基因表达方面起重要作用。

　　值得指出的是，BDNF在跨代表观遗传(transgenerational epigenetics)中也起非常重要的作用。跨代表观遗传是指在一代中获得的表观修饰能被下一代继承，并引起下一代表现出相同的生物学性状[15]。有研究者进行了一个非常有趣的实验，将被训练自我给药60天雄性大鼠，与生理盐水对照组配对，在自我给药后一天与首次用于实验的雌鼠进行配对繁殖，然后对子代的行为和分子改变进行分析，发现可卡因成瘾的雄性而不是雌性子代，在成年期延迟获得可卡因以及可卡因吸人量下降，并出现BDNF基因表达下降，因而推测BDNF在调控可卡因成瘾大鼠子代的犒赏效应方面起重要作用[17]。而且已经证实前额叶皮质BDNF表达水平的改变受到表观调控[18]。特别值得提出的是，可卡因诱导的BDNF水平升高与前额叶皮质组蛋白H3K9K14乙酰化升高相关。另有研究检测了子代前额叶皮质BDNF表达，

　　来观察BDNF表达的改变是否是可卡因强化效应的潜在机制。亲代雄性可卡因依赖的雄性而不是雌性子代，前额叶皮质BDNF mRNA和蛋白质表达升高，这是因为BDNF启动子IV的H3( H3K9K14ac2)组蛋白乙酰化升高。这些前额叶皮质组蛋白H3K9K14二乙酰化的变化与父亲可卡因后代的精子BDNF所有启动子表达升高相关。更为重要的是这些行为表型被一种T，kB受体拮抗剂ANA-12的系统性处理所逆转口明。说明前额叶皮质BDNF表达升高是雄性后代可卡因觅药行为降低所必须。

　　综上所述，表观调控参与了包括药物依赖在内的人类复杂疾病的病理过程，BDNF及其基因启动子的表观修饰甚至跨代表观遗传对药物依赖的调节都起非常重要的作用。但外界环境、药物及遗传等因素通过什么机制影响表观修饰的变化，以及这些变化如何长时间维持，又如何让引起长时间的行为学变化，目前机制都不十分清楚，可以肯定，在近年成瘾行为研究中，表观机制将会占据非常重要位置，“表观标记”可能是包括成瘾在内的各种疾病要寻找的目标，并形成新的治疗靶点。参考文献

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