《Current Opinion in Neurobiology》：Molecular and genetic mechanisms of plasticity in addiction
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本文聚焦成癮可塑性，探討藥物濫用后伏隔核（NAc）神經元變化。分析了神經元群體對藥物反應差異的原因，介紹了活動依賴性轉錄模型，闡述了表觀遺傳調控作用。對理解成癮機制及開發干預手段有重要意義。
引言
可塑性（Metaplasticity）指神經元在受到特定刺激后，其突觸可塑性能力發生的動態改變。藥物濫用是研究可塑性變化的理想切入點，它能誘導突觸可塑性發生強烈改變。伏隔核（NAc）在成癮行為中至關重要，許多濫用藥物會增加 NAc 內多巴胺神經傳遞。盡管多巴胺通過容積傳遞釋放，但只有一小部分 NAc 神經元對藥物有反應。目前仍有諸多關鍵問題待解，如哪些因素決定神經元群體的參與和招募，激活的神經元群體中即刻早期基因（IEG）程序是否相同等，本文將圍繞這些問題展開討論。
藥物相關神經元群體的形成和演變
濫用藥物會啟動信號級聯反應，迅速影響離子通道功能、膜興奮性、突觸結構和 IEG 的轉錄。通過多種方法研究發現，急性可卡因會激活一小部分神經元，這些神經元主要是表達多巴胺 D1 受體（D1-MSNs）的中等棘狀神經元（MSNs），而非表達 D2 受體（D2-MSNs）的神經元。下面將探討影響神經元群體納入的因素，以及在持續藥物暴露過程中神經元群體的演變情況。
神經元群體納入的決定因素
單細胞核 RNA 測序研究顯示，即便在與可卡因反應密切相關的 MSN 群體中，也只有一小部分細胞對可卡因敏感，且這些敏感神經元與其他神經元的轉錄譜相似�？煽ㄒ驎淖兩窠浽d奮性，但其受多種因素影響，且難以在體內模型中精準定位。外在因素如突觸連接性，內在因素如動態表觀遺傳因素、膜受體組成和細胞外標記等，都可能在促進神經元群體招募所需的可塑性狀態中發揮作用。例如，組蛋白乙�；缴呖赡軜擞浺妆徽心嫉接洃浐圹E中的神經元，CREB 結合蛋白（CBP）這種組蛋白乙酰轉移酶（HAT）的上調可增加神經元興奮性和對恐懼條件反射的反應。
此外，研究人員一直在尋找藥物激活神經元的穩定細胞類型或亞型標記。發現 NAc 殼中的一部分 D1-MSNs 表達 Tac2，對可卡因有高度反應，但該群體對可卡因的反應多樣，并非離散的功能群體。而在 NAc 核心中，Reln 可選擇性標記可卡因激活的 D1-MSNs，Reln 基因敲低會損害 MSN 興奮性并減少多種可卡因相關行為。不過，Reln 調節可卡因誘導的可塑性機制及是否影響表觀遺傳啟動仍有待研究。
神經元活動的演變
技術進步為追蹤神經元反應變化提供了可能。神經元群體在時間進程中可能出現擴張、細化、重組或穩定等多種變化情況，實際結果部分取決于定義細胞激活的方法。例如，以 Fos 表達定義的神經元群體在重復可卡因暴露后會增大，而基于 Arc 的 TRAP 方法則顯示神經元群體在重復暴露后縮小。轉錄和鈣成像研究表明，重復暴露可卡因后，激活的 D1-MSNs 與 D2-MSNs 比例增加，部分 D1-MSNs 的鈣反應增強。此外，復吸時尋求可卡因的程度與復吸標記的神經元群體和消退標記的神經元群體的重疊程度相關，而非復吸神經元群體的大小。
激活神經元內的活動依賴性轉錄
在神經系統中，增加突觸或神經元活動會誘導關鍵 IEG 表達，這些基因可作為激活細胞群體的標記。其中，AP-1 家族的轉錄因子（TFs）如 Fos 和 Junb 是研究較多的 IEG。全基因組分析發現，藥物誘導的基因程序包含更多 TF 家族。IEG 程序被認為可協調晚期反應基因（LRG）的轉錄變化，支持可塑性和功能改變，可能通過在基因組中 AP-1 基序處或附近啟動染色質重塑來實現。在 NAc 中，強烈的 IEG 誘導需要多巴胺能和谷氨酸能信號的協同作用，二者通路匯聚可放大核 CREB 信號。對重復可卡因有強烈 Fos 反應的神經元會形成沉默突觸，且這種突觸持續時間更長。但 IEG 如何在離散神經元中選擇 LRG 程序尚不清楚，靶向可卡因誘導的核心 TFs 對不同行為的影響也不同，而且 GABA 能神經元雖使用類似 IEG 程序，但選擇的 LRG 程序卻不同。下面介紹三種可能的模型來解釋 IEG TFs 如何產生多樣的 LRG 程序。
- 標記線模型：藥物可能在不重疊的神經元群體中誘導不同的 TFs，每個 TF 選擇不同的 LRG 程序。在齒狀回（DG）的研究中，學習誘導的 FOS 和 NPAS4 活動發生在不重疊的神經元群體中，它們在恐懼記憶回憶中具有不同的突觸適應和作用。在 NAc 中，Egr3 在 D1-MSNs 和 D2-MSNs 中受到雙向調節，對可卡因相關行為產生相反影響。
- 合作模型：部分重疊的轉錄因子在神經元群體中被誘導，特定組合導致不同 LRG 程序的表達。例如，AP-1 家族成員在神經元刺激后表達，其 dimer 組成影響與哪些基序結合，進而影響 LRG 的誘導。在黑色素瘤細胞中，Fos 與細胞可塑性相關，而其他核心 AP-1 TFs 與半分化狀態更相關。此外，可卡因激活的 TFs 單獨上調并不能完全重現可卡因調節的基因程序，Fos 和 Arc 的表達在可卡因處理后也不完全重疊，這表明可能存在共享和差異的 TF 誘導模式。
- 細胞類型模型：共享的 TFs 在不同細胞類型中被誘導，但在細胞類型特異性轉錄景觀的限制下，誘導不同的 LRGs。在不同組織類型中，ERK 依賴的信號傳導誘導相似的轉錄程序，但產生不同的 LRG 反應，這源于 AP-1 與細胞類型特異性 TFs 的相互作用。在 NAc 中，CRISPR 定向的 CREB 上調 AP-1 家族成員 ΔFOSB，在 D1-MSNs 和 D2-MSNs 中促進不同的基因程序。Npas4 在不同細胞類型中也調節不同的可塑性程序，在 NAc 中，其在 D2-MSNs 中的敲低會改變可卡因相關行為。
表觀遺傳調控作為可塑性轉變的守門人
LRG 程序的調節可能依賴新轉錄的 IEG 產物啟動基因組增強子元件的染色質重塑。藥物誘導的染色質重塑是藥物暴露導致持久可塑性的基本生化步驟，表明藥物經歷會改變基礎表觀基因組和轉錄組，影響未來藥物反應。本文主要關注基因組增強子和組蛋白翻譯后修飾（hPTMs）的作用。
傳統上，對藥物啟動轉錄變化的調控動力學理解主要基于對基因近端調控區域（啟動子）的 hPTMs 和染色質可及性研究。但對慢性可卡因處理后的 NAc 組織進行整體表觀遺傳分析發現，大部分可及性和染色質修飾發生在基因間區域，即遠端調控序列增強子。增強子通過三維染色質環化與基因啟動子區域相互作用，影響基因表達的時空和經驗依賴性特性。例如，許多 IEG 的表達之前會有遠端增強子元件的轉錄激活，這一過程對 IEG 誘導既必要又充分。抑制 Pdyn 上游的活性依賴性增強子可阻止紋狀體神經元中 Pdyn mRNA 的增加，證明增強子激活是神經元刺激下游動態調節的常見模式。
激活后，基因組增強子元件會發生持久的分子修飾，維持藥物暴露后的轉錄狀態變化。精神興奮劑誘導的 AP-1 家族成員 ΔFOSB 因其長蛋白半衰期，可能作為 “分子開關” 促進全基因組活動依賴性表觀遺傳修飾的穩定。急性可卡因處理后，Fosb 基因的啟動子和增強子位點在 D1-MSNs 中選擇性可及，且這種 “啟動” 的可及狀態在停藥后至少維持一個月。慢性可卡因暴露后，ΔFOSB 通過降低組蛋白甲基轉移酶 G9a 的表達來調節染色質重塑，G9a 影響可卡因的行為可塑性，降低 G9a 可促進其靶基因的表達，包括 Fosb 和其他可卡因可塑性調節因子。對 ΔFOSB 結合位點的分析發現，其大部分位點位于標記為 H3K27ac 和 H3K4me1 的基因間區域，這些 hPTMs 與啟動或活躍的增強子相關，凸顯了這些調控區域在 ΔFOSB 轉錄調控中的重要性。
組蛋白乙�；顷P鍵的染色質修飾，對基因表達有強大的控制作用，在學習、記憶和可卡因相關行為可塑性中起重要作用。抑制組蛋白去乙�；福℉DACs）可增強長期記憶，促進可卡因敏化和位置偏愛，但調節特定 HDACs 會產生不同結果。抑制 HDAC3 可增強可卡因位置偏愛的消退，防止其復燃，這可能與 IEG 啟動子的乙�；淖冇嘘P，且 HDAC3 對可卡因記憶的影響還取決于細胞類型和行為檢測方法。HDAC5 通常會損害可卡因相關行為，增加其核積累或過表達可減少可卡因獎勵行為和復燃，其關鍵靶點是 IEG Npas4 上游的增強子，該增強子對 D2-MSNs 的可卡因適應至關重要。
組蛋白乙酰轉移酶（HATs）與 HDACs 作用相反，CBP 是一種 HAT，其活性是 CREB 影響突觸和行為可塑性的重要組成部分。在 NAc 中，CBP 有助于可卡因依賴的組蛋白乙�；兓� IEG 如 Fos 的誘導，NAc 特異性缺失 CBP 會損害可卡因位置偏愛。CBP 在神經元去極化后被招募到 IEG 增強子，并與活性神經元增強子轉錄的 RNA 相互作用，表明其對藥物相關行為適應的貢獻至少部分通過調節基因組增強子元件的組蛋白乙�；瘉韺崿F。但目前仍需進一步研究特定 HATs 和 HDACs 在不同紋狀體神經元群體中的作用，確定藥物消費導致哪些基因組增強子被激活或抑制，以及 HATs、HDACs、TFs 和其他染色質修飾劑的分子相互作用如何協同促進基因程序，從而控制成癮可塑性中無活性和可興奮可塑性狀態之間的轉變。
結論
本文討論了藥物激活神經元群體中活動依賴性轉錄和可塑性狀態的假設模型，重點關注腹側紋狀體中的關鍵細胞類型。盡管已確定藥物作用于基因組并導致持久可塑性的重要機制，但仍有許多問題待解決。未來研究應結合 TRAP 模型與單細胞多組學分析，了解 IEG 和 LRG 程序之間的動態關系，確定特定細胞類型中誘導轉錄因子的 LRG 靶點，為研究調節基因表達的基因組增強子奠定基礎，明確人類增強子元件遺傳變異對成癮表型風險或抗性的影響。這些研究可借助新興的空間轉錄組學平臺進一步推進，有望整合電路、空間和生理領域的信息，為設計可編程基因調控工具提供依據，實現對物質使用障礙中神經元群體的精準操縱。
