Мыши-мутанты не становятся наркоманами
Александр Марков, «Элементы»
Биологи из Франции, США и Японии расшифровали механизм работы белка DARPP-32, функционирующего в нейронах прилежащего ядра – отдела мозга, составляющего часть «системы награды». Этот белок играет ключевую роль в процессах обучения «на положительном опыте», а также в развитии наркотической зависимости. Полученные результаты позволили спроектировать мышей-мутантов с ослабленной мотивацией поведения «положительными» стимулами, такими как пища или наркотики. В отличие от обычных мышей, мыши-мутанты проявляют меньше настойчивости в выполнении действий, направленных на добычу пропитания или новой дозы наркотика.
Отдел мозга, называемый прилежащим ядром (nucleus accumbens), играет важную роль в обучении и эмоциональной регуляции поведения. Нейроны прилежащего ядра несут на своей поверхности рецепторы, реагирующие на «вещество удовольствия» дофамин. Это вещество выделяется другими нейронами (локализованными в среднем мозге) в те моменты, когда в нашей жизни случается что-то хорошее. В результате человек (или любое другое млекопитающее) испытывает чувство удовольствия, и в дальнейшем у него может сформироваться привычка совершать действия, направленные на воспроизведение ситуации, которая приводит к выбросу дофамина. Действие многих наркотиков основано на том, что они либо непосредственно стимулируют дофаминовые рецепторы, либо тем или иным путем повышают концентрацию дофамина в прилежащем ядре (например, кокаин замедляет обратный захват дофамина нейронами, выделяющими это вещество).
Некоторые ключевые компоненты «системы награды».
Нейроны коры, получив и обработав информацию о чем-то приятном (вознаграждающем стимуле), посылают сигналы в «вентральную область покрышки» (VTA) – участок среднего мозга, нейроны которого вырабатывают дофамин.
После этого VTA посылает свои дофаминовые сигналы в прилежащее ядро (nucleus accumbens), миндалевидное тело (amygdala), префронтальную кору (prefrontal cortex) и другие отделы мозга. (MFB, medial forebrain bundle – медиальный переднемозговой пучкок; septum – перегородка).
Изображение с сайта thebrain.mcgill.ca.
Обучение, формирование привычек или наркотических зависимостей – это формы долговременной памяти, требующие долговременных изменений в структуре нейронов. Такие изменения могут включать отращивание новых нервных окончаний и межнейронных контактов – синапсов, а также усиление или ослабление имеющихся синапсов. Некоторые молекулярные механизмы формирования долговременной памяти известны (см.: Нейроны соревнуются за право участия в формировании рефлексов, «Элементы», 26.04.2007). Однако о том, что происходит с нейронами «системы награды» в результате стимуляции дофаминовых рецепторов, до сих пор известно очень немногое. Между тем, понимание молекулярных механизмов, отвечающих за обучение на положительном опыте и за формирование зависимостей, могло бы иметь огромное практическое значение – например, для лечения наркоманов.
Группе исследователей из Франции, США и Японии удалось расшифровать один из таких механизмов, о чем они сообщили в последнем номере журнала Nature. Ученые сосредоточили свое внимание на белке DARPP-32 (32-kDa dopamine-regulated and cyclic-AMP-regulated phosphoprotein), о котором ранее было известно, что он в больших количествах синтезируется нейронами прилежащего ядра и принимает участие в реагировании нейронов на дофамин. Предыдущие исследования показали, что в результате возбуждения дофаминовых рецепторов класса D1 к определенному месту белка DARPP-32 (а именно к аминокислоте треонину в 34-й позиции, Thr34) присоединяется остаток фосфорной кислоты (происходит фосфорилирование по Thr34). Это приводит к изменению свойств белка. Он приобретает способность подавлять активность другого белка – PP1 (multifunctional serine/threonine protein phosphatase-1). Подавление активности белка PP1, в свою очередь, приводит к изменениям в степени фосфорилированности рецепторов и ионных каналов, играющих ключевую роль в синаптической передаче нервных импульсов и в пластичности синапсов.
Изменения такого рода, однако, имеют кратковременный характер. Всё это происходит в цитоплазме нервной клетки. Для долговременных изменений необходимо вмешательство в работу клеточного ядра, то есть регуляция активности ядерных генов. Результаты, полученные ранее, позволяли предполагать, что DARPP-32 играет какую-то роль и в этом, но деталей никто не знал. А для практического использования данных молекулярной биологии важны именно детали, а не общие идеи.
При помощи множества сложнейших экспериментов ученые выяснили, что у белка DARPP-32 имеется еще один важный «сайт фосфорилирования» – аминокислота серин в 97-й позиции (Ser97). Фосфорилированность этого аминокислотного остатка служит сигналом для молекулярных систем, транспортирующих белки через ядерную мембрану. Оказалось, что если белок DARPP-32 фосфорилирован по Ser97, он накапливается в цитоплазме, а если нет – транспортируется в ядро.
Эксперименты показали, что кокаин, морфин, а также процесс обучения каким-нибудь действиям с положительным подкреплением – всё это приводит к дефосфорилированию DARPP-32 по Ser97 и, как следствие, к накоплению этого белка в ядре.
Что же делает DARPP-32, попав в ядро? Как выяснилось, он делает то же, что и в цитоплазме: подавляет активность многофункционального белка PP1 (о котором уже говорилось выше). Прямым следствием инактивации PP1 в ядре является фосфорилирование гистона H3 (гистоны – белки, на которые «намотаны» молекулы ДНК в ядре). Фосфорилирование гистона H3, в свою очередь, приводит к активизации множества различных генов. Вот они, долговременные эффекты! Ранее уже было известно, что фосфорилирование гистона H3 является важным компонентом формирования долговременной памяти. Таким образом, картинка в целом сложилась (см. схему).
Схема, иллюстрирующая механизм влияния белка DARPP-32 на активность генов в ядре нейрона.
Дофамин стимулирует дофаминовые рецепторы (D1R). Следствием этого (через ряд промежуточных звеньев) является фосфорилирование белка DARPP-32 по треонину в 34-й позиции и дефософорилирование по серину в 97-й позиции (остатки фосфорной кислоты изображены в виде розовых кружков с буквой P). В результате белок DARPP-32, фосфорилированный по Thr34, накапливается в ядре, где он подавляет активность белка PP1. Это приводит к росту уровня фосфорилированности гистона H3, вследствие чего активизируется целый ряд генов. Гистоны изображены в виде синих катушек, на которые намотана нить ДНК. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature.
Расшифровав этот механизм, ученые, естественно, захотели посмотреть, что будет, если вмешаться в его работу. Можно ли, изменив структуру белка DARPP-32, снизить вероятность его попадания в ядро и, соответственно, уменьшить риск развития наркотической зависимости?
Ученые внесли в ген белка DARPP-32 у мышей небольшое изменение (мутацию), в результате которого аминокислота серин в 97-й позиции заменилась на аланин. В отличие от серина, аланин не может быть фосфорилирован. Таким образом, у мутантных мышей возбуждение дофаминовых рецепторов не должно приводить к накоплению DARPP-32 в ядрах нейронов. Это подтвердилось: даже под воздействием сильных наркотиков в нейронах мутантных мышей белок DARPP-32 оставался в цитоплазме и в ядро не шел.
Поскольку изменение, внесенное в структуру белка, было очень небольшим, оно теоретически не должно было повлиять на все остальные его функции. Это тоже подтвердилось: поведение мышей-мутантов в целом выглядело вполне нормальным. Они даже сохранили способности к обучению. Отличия выявились только в специальных тестах, предназначенных для оценки степени мотивированности поведения.
Проверялись два варианта мотивированности: пищевая и наркотическая. В первом опыте мышей-мутантов и контрольных мышей обучили нажимать носом кнопку, чтобы получить что-нибудь вкусненькое. Обе группы мышей обучались одинаково успешно, даже в том случае, если награда выдавалась не за каждое нажатие кнопки, а только иногда, в небольшом проценте случаев.
После этого обученным мышам предоставили возможность нажимать на кнопку сколько душе угодно, не давая за это никакой награды. Ученые смотрели, когда несчастным животным надоест это бессмысленное занятие. Они проверяли, насколько настойчивыми окажутся мыши в своих действиях, направленных на получение пищи. Так оценивают степень «пищевой мотивации».
И тут мыши-мутанты впервые повели себя не так, как их «нормальные» сородичи. Мутантам надоело нажимать на кнопку значительно быстрее, чем обычным мышам. Они были слабее мотивированы.
Аналогичные результаты были получены в другом опыте, где в качестве «награды» использовалась не пища, а доза кокаина. Мыши-мутанты, уже знакомые с действием наркотика, проявляли меньше упорства в попытках добыть новую дозу, чем оказавшиеся в такой же ситуации обычные мыши.
Похоже на то, что ученые обнаружили очень важный компонент сложнейшей системы эмоциональной регуляции и мотивации поведения. Удивительно, как сложно и тонко оказалась устроена эта система (о многих компонентах которой науке до сих пор известно очень мало). Кто бы мог предположить, что, заменив аминокислоту в одном-единственном белке, можно радикально изменить одну из черт характера, ключевую для формирования наркотической зависимости, не затронув при этом остальные свойства психики?
Безусловно, здесь речь идет о таких базовых нейробиологических механизмах, которые не могут быть уникальными для мышей. У людей тоже есть белок DARPP-32, и его работа наверняка основана на тех же принципах. Однако авторы скромно умалчивают о возможных практических применениях своего открытия.
Источник: Alexandre Stipanovic, et al. A phosphatase cascade by which rewarding stimuli control nucleosomal response // Nature. Advance online publication, 21 May 2008 (doi:10.1038/nature06994).
Портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru
26.05.2008