一个复杂的基因程序会引发大脑对可卡因的反应
阿拉巴马大学伯明翰分校杰里米·戴(Jeremy Day)博士的实验室使用单核RNA测序方法，比较了大脑伏隔核(NAc)中16个不同细胞群对急性可卡因的转录反应。这一分子图谱是“在该区域可卡因介导的基因调控中，以前未达到的细胞分辨率水平，”UAB神经生物学系副教授Day说。
该地图集只是发表在该杂志上的一项重大研究的开始科学的进步该研究使用了多种尖端技术来描述多巴胺诱发的疾病基因表达控制大脑对可卡因反应的信号。
戴说:“这些结果标志着我们对控制药物相关适应的神经生物学过程的理解取得了重大进展。”“他们还揭示了关于转录机制如何调节中枢神经系统中依赖活动的过程的新信息。”
戴说，这项研究中使用的方法也可能有助于剖析类似基因程序的作用，这些基因程序调节其他类型的行为、记忆形成或神经精神障碍。
NAc深深参与其中药物成瘾详细了解药物如何改变神经回路从而引发成瘾行为，可以为新的治疗干预提供建议。NAc是大脑奖励回路的中心整合器，所有成瘾药物都会急剧提高NAc中神经递质多巴胺的水平。多巴胺信号在重复使用药物期间导致基因表达的广泛变化，引发神经突触回路的改变和与药物成瘾相关的行为变化。
以前对NAc基因表达变化的研究只能观察到大量组织——许多不同细胞类型的混合。当戴实验室通过rna测序15631个大鼠NAc细胞核来观察单细胞变化时，他们发现了一个惊喜。NAc中只有一小部分神经元对可卡因的给药有转录反应——主要是表达Drd1多巴胺受体的中等刺状神经元的特定亚簇。
接下来，研究人员全面定义了当多巴胺添加到纹状体神经元培养系统时被激活的核心基因结构。与可卡因给药后大鼠NAc的反应相似，转录激活主要发生在drd1受体-中棘神经元。戴和同事们确定了一组大约100个的核心基因多巴胺改变，这也与可卡因大鼠NAc中激活的关键基因有关。
据推测，大脑中的基因表达程序协同工作，对人体产生下游影响神经功能和行为。然而，直到最近，研究人员还缺乏一种测试关键基因表达程序的方法，这需要同时诱导多个基因。
戴和同事设计了一个多路复用的CRISPR引导rna阵列，以16个被多巴胺改变的顶级候选基因为目标。当与神经元优化的CRISPR/dead-Cas9激活系统配对时，他们能够同时上调神经元培养物或活大鼠NAc中的16个基因。然后他们探索了转录、生理和行为的后果。
在原代神经元培养中，该基因签名的诱导产生了大规模的转录变化，丰富了涉及突触可塑性、神经元形态发生和离子通道功能的基因。该程序还显著提高了神经元爆发频率。在活大鼠中，基因标记的诱导产生了对重复可卡因给药的敏化。在神经元培养和活体大鼠中观察到的这些变化与滥用药物引起的神经元和行为变化相似。
Day说，他的小组的研究是第一个原理证明证据，CRISPR激活可以用于同步和选择性调节a基因表达特征体内。
“关键的是，”戴说，“这些结果代表了我们所知的第一次多路复用的演示基因调控在任何神经精神病学模型中，为未来研究提供路线图，以调查改变的基因程序和神经元疾病状态之间的关系。
“虽然目前的工作提供了对细胞多样性如何在最初的可卡因体验后促进转录反应的洞察，”Day说，“重复暴露于滥用药物促进神经生理适应，被认为在停止使用后很长时间内驱动强迫性药物寻求。因此，通过在单细胞水平上检查重复或自我给药的转录后果，以及了解这些变化是如何在不同细胞群中维持较长时间并作为意志的结果，对未来的研究进行扩展将是至关重要的药物体验。”
