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四川大学华西医院国家成都新药安全性评价中心岑小波教授团队:背侧纹状体中烟酰胺N-甲基转移酶在可卡因神经可塑性和成瘾中的作用

四川大学华西医院国家成都新药安全性评价中心岑小波教授团队于2017年7月在Neuropsychopharmacology(影响因子6.5)发表文章“Role of Nicotinamide N-Methyltransferase in Dorsal Striatum in Cocaine Place Preference”(长按下方二维码即可阅读全文)。



药物成瘾已成为全球性的医学和社会问题,可卡因是当今世界上最为滥用的成瘾性药物之一,如何防治可卡因成瘾是现代医学亟待解决的问题。由于药物成瘾记忆非常深刻,在戒断若干年后接触相关线索的刺激,仍能诱导复吸。成瘾性药物通过组蛋白修饰、DNA甲基化及染色体重塑等表观遗传学机制影响基因的复制、转录和翻译,已经成为成瘾基因表达调控的重要分子基础。



岑小波教授团队长期从事药物成瘾的分子机制研究,在药物成瘾的代谢-表观调控机制研究取得丰富成果,包括首次揭示组蛋白精氨酸甲基转移酶(PRMT1)在可卡因成瘾过程中起到“开关”的关键作[1];染色体重塑因子Brg1调节成瘾相关基因染色体重塑与启动子组蛋白修饰,调控可卡因成瘾过程。在生化代谢通路-表观调控对话(cross-talk)领域,烟酰胺N-甲基转移酶(nicotinamide N-methyltransferaseNNMT)是一种重要的一碳代谢酶,S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosyl-L-methionineSAM)是NNMT的辅因子。NNMT在癌症、神经退行性疾病、肥胖和糖尿病等疾病过程中发挥重要作用[2-3],但NNMT在药物成瘾中的作用及其分子机制尚不清楚。


前期研究表明,Rac1和RhoA都是RhoGTPases家族中重要的成员,通过操纵肌动蛋白和微管运动从而促进神经可塑性[4]。Rac1和RhoA在蛋白翻译后由异戊烯半胱氨酸羧基甲基转移酶(isoamyl cysteine carboxyl methyl transferase 1LCMT1)催化,SAM作为辅因子进行甲基化修饰。只有经过甲基化修饰的RhoA和Rac1才具有活性。因此,SAM水平可以影响RhoA和Rac1的活性,而NNMT能够调控机体SAM水平。本研究旨在探索NNMT是否可能通过SAM-Rac1/RhoA途径影响可卡因位置偏爱(cocaine place preferenceCPP)效应,Rac1和RhoA可能参与成瘾的上游机制,揭示甲基代谢与Rac1和RhoA引起的神经可塑性的关系。


岑小波教授团队通过3年的系统研究,结合动物行为学、分子生物学、代谢组学等多种技术手段,系统地研究了NNMT及其底物(SAM和NA)和产物[S-腺苷同型半胱氨酸(S-adenosyl homocysteineSAH)和1-甲基烟酰胺(1-methylnicotinamideMeN)]在可卡因成瘾中的作用。构建了沉默NNMT表达的慢病毒载体,定点注射于背侧纹状体脑区以沉默NNMT表达,可以显著降低可卡因诱导的CPP效应。随着NNMT表达降低,SAM/SAH水平升高;沉默NNMT表达,可升高Rac1和RhoA活性。


该团队进一步采用免疫共沉淀(co-immunoprecipitation,Co-IP)方法检测Rac1和RhoA与rho鸟嘌呤核苷酸解离抑制蛋白α(rho guanine nucleotide dissociation inhibitor alphaRhoGDIα)结合。结果显示NNMT沉默后Rac1和RhoA与RhoGDIα结合降低。这些结果提示:NNMT通过调节SAM的水平影响Rac1/RhoA的活性及其与RhoGDIα的结合从而参与可卡因CPP效应。继续采用NNMT代谢物MeN验证上述实验结果,一定剂量MeN能够抑制NNMT活性从而提高SAM水平。实验结果显示,50 mmol/L MeN可抑制NNMT活性,明显抑制可卡因CPP效应,且显著升高Rac1和RhoA活性。



①背侧纹状体脑定位图谱。②条件性位置偏好实验设计示意图。③50mmol/L MeN显著抑制可卡因诱导的条件性位置偏好。2mmol/L MeN和10mmol/L MeN无统计学差异,50mmol/L MeN剂量组显著抑制了可卡因的条件性位置偏好。#P<0.05。SAL,腹腔生理盐水;COC,腹腔可卡因;NC,脑内生理盐水。④NNMT参与可卡因CPP效应的机制示意图,NNMT通过SAM-Rac1/RhoA途径参与可卡因CPP效应的调控。


本研究在国际首次报道参与成瘾过程的细胞一碳代谢途径。发现NNMT催化SAM甲基转移到烟酰胺上形成MeN,通过降低纹状体内SAM水平抑制Rac1和RhoA活性,促进非活性Rac1/RhoA与RhoGDIα结合,进而调节可卡因神经可塑性与成瘾效应。

参考文献:

1. Li Y, Zhu R, Wang W, et al. Arginine methyltransferase 1 in the nucleus accumbens regulates behavioral effects of cocaine. J Neurosci, 2015, 35(37): 12890-12902.

2. Ulanovskaya OA, Zuhl AM, Cravatt BF. NNMT promotes epigenetic remodeling in cancer by creating a metabolic methylation sink. Nat Chem Biol, 2013, 9(5): 300-306.

3. Shlomi T, Rabinowitz JD. Metabolism: Cancer mistunes methylation. Nature Chem Biol, 2013, 9(5): 293-294.

4. Dietz DM, Sun H, Lobo MK, et al. Rac1 is essential in cocaine-induced structural plasticity of nucleus accumbens neurons. Nat Neurosci, 2012, 15(6): 891-896.


专家点评


王莉教授:作为进入基底神经节的主要通路,背侧纹状体具有丰富的神经突触连接,参与多种与药物成瘾有关的学习和记忆过程。NNMT是一种重要的一碳代谢酶,有研究表明过表达NNMT可以增加神经突起的延伸,突触小泡蛋白的表达,多巴胺的积累和释放,可能与成瘾后神经可塑性存在潜在关联。然而NNMT在药物成瘾中的作用及机制,目前尚不清楚。SAM作为NNMT的辅因子,可以通过对DNA和组蛋白的甲基化修饰影响成瘾,除了DNA和组蛋白的甲基化,SAM在体内还参与了许多其他代谢途径,例如Rac1和RhoA作为RhoGTPase家族中的重要成员,存在依赖于SAM的翻译后甲基化修饰。大量研究发现在药物成瘾过程中Rac1和RhoA活性发生变化,然而这种活性的变化与其甲基化修饰是否有关并不清楚。


岑小波教授团队通过系统的分子生物学、行为学、代谢组学等研究,发现随着SAM在背侧纹状体中的升高,Rac1和RhoA活性也增高。且在SAM水平抑制后,Rac1和RhoA活性相应降低。这提示Rac1和RhoA参与可卡因成瘾可能与其翻译后依赖于SAM的甲基化修饰有关。NNMT在可卡因成瘾小鼠背侧纹状体中高表达,消耗SAM,而抑制Rac1与RhoA翻译后修饰,导致活性降低,进而促进与RhoGDIα的结合,引起神经可塑性导致成瘾。在NNMT使用慢病毒载体低表达后,该过程被阻止逆转了成瘾。这一结论阐述了Rac1和RhoA参与成瘾的上游机制,揭示了甲基代谢与Rac1和RhoA引起的神经可塑性的关系。


该研究有丰富的学术价值,岑小波教授团队在Neuropsychopharmacology发表的文章首次证明了可卡因成瘾后甲基代谢与神经可塑性的关系,同时也是首次揭示了NNMT在成瘾中的功能及其机制,为NNMT作为可卡因成瘾的药物治疗靶点提供支持。


王莉,四川大学华西医院教授,博士研究生导师,国家新药评审专家。从事新药临床前药理学、药代动力学、药物安全性评价研究30多年,发表学术论文100余篇,参编专著5部,国务院政府津贴专家,获“十一五”国家科技计划执行突出贡献奖、四川省有突出贡献专家、中国侨界杰出人物提名奖、华夏医学科技奖二等奖、科技部中药现代化10年先进个人、四川省中医药发展先进个人奖、四川省优秀留学回国人员、 中国第三届新世纪巾帼发明家创新奖、四川省科技进步一等奖1项,四川省科技进步二等奖1项,教育部科技进步一等奖1项、获专利授权10项。组织、主持了多项国家“九五”、“十五”、“十一五”重大专项和省市级重大课题:国家高科技发展计划“863计划”《中枢神经、心血管及内分泌系统重大疾病非人灵长类动物模型的建立》项目首席专家,《实验猕猴繁育、研发与技术服务平台》(重大新药创制)、规范化的中药临床前安全性评价技术平台建设(863计划)、国家成都生物医药产业基地公共技术平台建设(发改委项目)、四川省实验动物共享服务平台建设等。


作者投稿心得


(1)严格遵循期刊投稿指南的要求投稿,投稿前一定要仔细阅读投稿杂志相关的要求,比如论文格式、字数、图片质量等。作者对其文稿质量的谨慎态度会给审稿人更好的感受,细节之处的注重或许会为整体评估产生正面的影响。

(2)认真撰写投稿信:投稿信提供的概要内容,可让编辑快速了解文章,力求简明、扼要介绍文章的创新性和重要性。


研究中遇到的难点:

NNMT干扰慢病毒的构建及脑内立体定位注射与可卡因成瘾行为学的关系,是本研究的重点和难点,脑立体定位注射需要精细的操作,而动物行为学对实验环境要求较高,需要排除环境的干扰。实验室通过长期的探索,建立了稳定的行为学评估实验体系,对脑立体定位注射、脑内埋管、静脉插管等有丰富经验。


通信作者


岑小波,四川大学华西医院国家成都新药安全性评价中心,中心主任,博士研究生导师,国家“万人计划”科技创新领军人才、科技部中青年科技创新领军人才,四川省学术与技术带头人,四川省科技创新团队带头人,国家新药评审专家。主要从事药物成瘾表观遗传学机制和药物毒理新技术新方法研究等研究工作,已在本领域重要期刊发表SCI论文60余篇。主持3项国家重大新药创制专项基金、5项国家自然科学基金等项目。获科技部与盖茨基金会联合举办的“全球创新大挑战”青年科学家奖、四川省杰出青年科技基金、国家科技进步二等奖、四川省科技进步一等奖。

Email:xbcen@scu.edu.cn


团队简介

四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室国家成都新药安全性评价中心神经科学研究团队


四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室国家成都新药安全性评价中心神经科学研究团队,主要针对药物成瘾、神经退行性疾病、神经发育疾病和神经毒性机制进行系统研究。团队成员包括国家万人计划领军人才、四川省千人计划特聘专家、海外博士等,研究背景包括干细胞生物学、分子生物学、神经药理学、生物信息学等。团队拥有良好的实验条件和经费支持。团队拥有激光共聚焦显微镜与活细胞工作站平台、类器官与器官芯片培养平台、全脑神经连接的显微光学切片断层成像、高内涵细胞成像平台、细胞膜片钳系统、动物行为学评价实验室。课题组承担了国家科技重大专项、国家自然科学基金、四川省科技厅重点研发项目等10余项重大课题,发表论文60余篇。



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本文编辑:张世雯

本文排版:陈红梅 张洪雪

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