Атлас был только началом крупного исследования, опубликованного в журнале Science Advances, в котором использовались несколько передовых технологий для описания индуцированной дофамином сигнатуры экспрессии генов, которая регулирует реакцию мозга на кокаин.
«Эти результаты знаменуют собой существенный прогресс в нашем понимании нейробиологических процессов, которые контролируют адаптации, связанные с наркотиками», – сказал Дэй. "Они также раскрывают новую информацию о том, как механизмы транскрипции регулируют зависимые от активности процессы в центральной нервной системе"."
По словам Дэй, подходы, использованные в этом исследовании, также могут помочь проанализировать роль подобных генных программ, которые опосредуют другие типы поведения, формирование памяти или нейропсихиатрические расстройства.
NAc глубоко вовлечен в наркозависимость, и детальное понимание того, как наркотики изменяют его нейронные цепи, вызывая аддиктивное поведение, может предложить новые терапевтические вмешательства.
NAc является центральным интегратором цепи вознаграждения мозга, и все наркотики, вызывающие привыкание, резко повышают уровень нейромедиатора дофамина в NAc. Передача сигналов дофамина при повторном употреблении наркотиков приводит к широко распространенным изменениям в экспрессии генов, инициируя изменения в нейронных синаптических цепях и изменения в поведении, связанные с наркозависимостью.
Предыдущие исследования изменений в экспрессии гена NAc позволяли изучать только объемную ткань – смесь многих различных типов клеток. Когда дневная лаборатория изучила изменения отдельных клеток путем секвенирования РНК 15631 отдельного ядра NAc крысы, они обнаружили сюрприз.
Лишь небольшая часть нейронов в NAc транскрипционно реагировала на введение кокаина – в основном это специфический подкластер нейронов со средними шипами, которые экспрессируют дофаминовый рецептор Drd1.
Затем исследователи всесторонне определили основную структуру гена, которая активируется при добавлении дофамина в систему культивирования нейронов полосатого тела. Подобно ответам в NAc крыс после введения кокаина, активация транскрипции преимущественно происходила в шиповатых нейронах среды рецептора Drd1. Дэй и его коллеги определили основной набор примерно из 100 генов, измененных дофамином, которые также коррелировали с ключевыми генами, активированными в NAc крыс, получавших кокаин.
Была выдвинута гипотеза, что программы экспрессии генов в мозге работают согласованно, оказывая последующее воздействие на функцию и поведение нейронов. Однако до недавнего времени у исследователей не было способа протестировать программы экспрессии ключевых генов, что требовало одновременного индуцирования нескольких генов.
Дэй и его коллеги разработали мультиплексный массив CRISPR-гид-РНК для нацеливания на 16 главных генов-кандидатов, измененных дофамином.
В сочетании с оптимизированной для нейронов системой активации CRISPR / dead-Cas9 они смогли одновременно активировать 16 генов в культурах нейронов или в NAc живых крыс. Затем они исследовали транскрипционные, физиологические и поведенческие последствия.
В первичной культуре нейронов индукция этой сигнатуры гена вызвала крупномасштабные транскрипционные изменения, которые были обогащены генами, участвующими в синаптической пластичности, морфогенезе нейронов и функции ионных каналов. Эта программа также значительно увеличила частоту срабатывания импульсов нейронов.
У живых крыс индукция сигнатуры гена вызвала сенсибилизацию к повторному введению кокаина. Эти изменения, наблюдаемые в культуре нейронов и у живых крыс, аналогичны изменениям нейронов и поведения, вызванным злоупотреблением наркотиками.
Дэй говорит, что исследование его группы является первым принципиальным доказательством того, что активация CRISPR может использоваться для одновременной и селективной регуляции сигнатуры экспрессии гена in vivo.
«Важно, – сказал Дэй, – что эти результаты представляют собой первую демонстрацию – насколько нам известно – мультиплексной генной регуляции в любой нейропсихиатрической модели, обеспечивая дорожную карту для будущих исследований по изучению взаимосвязи между измененными генными программами и болезненными состояниями нейронов.
«В то время как настоящая работа дает представление о том, как клеточное разнообразие способствует транскрипционным ответам после первоначального опыта употребления кокаина, – сказал Дэй, – повторное употребление наркотиков способствует нейрофизиологической адаптации, которая, как считается, вызывает компульсивный поиск наркотиков спустя долгое время после прекращения употребления. Следовательно, для будущих исследований будет критически важно расширить эту работу путем изучения транскрипционных последствий повторного или самостоятельного употребления наркотиков на уровне одной клетки, а также понимания того, как эти изменения поддерживаются в разных популяциях клеток в течение более длительных периодов. времени и в результате волевого наркотического опыта."