ارتباط اپی ژنتیک و اعتیاد به مواد مخدر
نقش استیلاسیون و متیلاسیون هیستون در اعتیاد به مواد مخدر

کروماتین از نوکلئوزوم ها، DNA پیچیده شده در اطراف اکتومر های هیستونی که هر کدام حاوی دو کپی از H2A، H2B، H3 و H4 هستند، تشکیل شده است. هیستون ها تحت انواع بسیاری از تغییرات پس از ترجمه (PTMs) قرار می گیرند که ساختار و تعامل آنها با DNA مجاور را تغییر می دهد. تغییرات استیلاسیون، متیلاسیون، فسفریلاسیون، یوبی کوئیتیناسیون، SUMOylation، سیترولیناسیون و ADP-ribosylation در دم های N ترمینال هیستون ها که از نوکلئوزوم بیرون زده ایجاد میشود. این تغییرات هیستون توسط آنزیم‌ها شکل گرفته و حذف می‌شوند، استیلاسیون هیستون، به ویژه، با فعال شدن ژن با خنثی کردن بارهای مثبت بر روی باقی مانده های لیزین در دم هیستون و افزایش فاصله بین نوکلئوزوم ها مرتبط است که این اصلاح توسط هیستون استیل ترانسفرازها (HATs) و هیستون داستیلازها (HDACs) تنظیم می شود . در زمینه تحقیقات اعتیاد به مواد مخدر، استیلاسیون هیستون و متیلاسیون به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. قرار گرفتن در معرض مواد مخدر مانند کوکائین می تواند سطوح کلی استیلاسیون هیستون را در هسته اکومبنس (NAc) ، منطقه ای از مغز که در پردازش پاداش نقش دارد، افزایش دهد. اثرات استیلاسیون هیستون بر اعتیاد به مواد مخدر با استفاده از مهارکننده های HDAC یا حذف ژن های HDAC به طور خاص در هسته اکومبنس مورد مطالعه قرار گرفته است.  تغییرات در استیلاسیون هیستون در ژن های خاص در پاسخ به قرار گرفتن در معرض دارو مشاهده شده است و این تغییرات اغلب با بیان ژن تغییر یافته مرتبط است. برای مثال، قرار گرفتن در معرض کوکائین حاد ممکن است استیلاسیون H4 را در پروموتر ژن c-Fos افزایش دهد، در حالی که قرار گرفتن در معرض مزمن کوکائین ممکن است منجر به استیلاسیون H3 در پروموتورهای ژن BDNF و Cdk5 شود. یک مطالعه گسترده ژنومی با استفاده از تکنیک ChIP-chip  (در ایت نکنیک دو روش ایمونوفراسپیتاسیون کروماتین (ChIP) و microarray را با هم ترکیب می کنند) شناسایی مناطقی از DNA که توسط پروتئین های خاصی مانند هیستون ها یا فاکتورهای رونویسی متصل هستند، انجام شد که نقش استیلاسیون هیستون و متیلاسیون هیستون را در تنظیم بیان ژن در هسته اکومبنس (NAc) در پاسخ به قرار گرفتن در معرض کوکائین مزمن مورد بحث قرار می داد. تجویز مزمن کوکائین منجر به تغییرات در استیلاسیون هیستون می شود، به طوری که برخی از ژن ها افزایش استیلاسیون و برخی دیگر کاهش استیلاسیون را نشان می دهند. جالب توجه است که حداقل همپوشانی بین ژن هایی وجود داشت که تغییرات استیلاسیون هیستون H3 و هیستون H4 را نشان می داد. در حالی که بسیاری از ژن‌هایی که استیلاسیون هیستون تغییر یافته را نشان می‌دادند نیز تغییراتی در بیان mRNA نشان دادند، ژن‌هایی وجود داشتند که از این الگو پیروی نمی‌کردند. این نشان می دهد که استیلاسیون هیستون تنها یکی از جنبه های پیچیده "کد هیستون" است که فعالیت ژن را تنظیم می کند. متیلاسیون هیستون سرکوبگر نیز در اعتیاد به مواد مخدر نقش دارد.  دو هیستون متیل ترانسفراز خاص، G9a و GLP، پس از تجویز مزمن کوکائین یا مواد افیونی در NAc کاهش یافتند. این کاهش با کاهش سطح کلی متیلاسیون هیستون در حالت دی متیله Lys9 از H3 (H3K9me2) همراه بود. سایر انواع هیستون متیل ترانسفرازها و دی متیلازها تحت تأثیر قرار گرفتن در معرض دارو قرار نگرفتند. مسدود کردن عملکرد G9a پاسخ‌های رفتاری به مواد مخدر را افزایش داد، در حالی که افزایش عملکرد G9a اثر معکوس داشت. کاهش G9a همچنین منجر به افزایش شاخه زایی در نورون های NAc شد که با شکل پذیری سیناپسی در اعتیاد همراه است.
G9a به عنوان یک نقطه کنترل حیاتی برای تنظیم اپی ژنتیک در NAc میباشد. G9a با القای ΔFosB که یک فاکتور رونویسی مهم برای اعتیاد به مواد مخدر است مخالف است و ΔFosB بیان G9a را سرکوب می کند. علاوه بر این، G9a در NAc با مهار هیستون داستیلازها (HDACs) القا می شود که این اثرات رفتاری ضعیف کوکائین مشاهده شده در شرایط مهار طولانی مدت HDAC را توضیح می دهد. نقشه‌های ژنومی پیوند H3K9me2 تغییر یافته در NAc پس از قرار گرفتن در معرض کوکائین یا مواد افیونی مزمن با استفاده از تکنیک‌های Chip-chip یا ChiP-seq به دست آمده‌اند. همانند استیلاسیون هیستون، تغییرات در H3K9me2 با تغییر بیان ژن همراه بود، اما این تغییر زنتیکی به تنهایی قطعی نیست.
قرار گرفتن در معرض دارو سطوح جهانی هیستون PTMs در NAc را تغییر می‌دهد. به عنوان مثال، منجر به افزایش استیلاسیون هیستون و کاهش سطح PTM های خاص به نام H3K9me2 و H3K9me3 می شود. مطالعات گسترده ژنومی تایید کرده اند که افزایش گسترده در استیلاسیون هیستون و کاهش متیلاسیون H3K9 در بسیاری از مکان های ژنومی وجود دارد. با این حال، همچنین اشاره شده است که صدها ژن تغییرات معکوس را در این علائم نشان می‌دهند و اکثر ژن‌ها پس از قرار گرفتن در معرض دارو هیچ تغییری نشان نمی‌دهند و این سوال را برجسته می کند که چه چیزی تعیین می کند که یک ژن خاص در حضور تغییرات کلی در آنزیم های اصلاح کننده هیستون و علائم آنها اصلاح شود یا نشود. این نشان می دهد که اثرات قرار گرفتن در معرض دارو بر تنظیم ژن ممکن است صرفاً توسط تغییرات جهانی هیستون کنترل نشود. علاوه بر این، تغییرات هیستونی که خارج از پروموترهای ژن رخ می‌دهند، ممکن است نقش مهمی داشته باشند. تحقیقات اخیر نشان داده است که بخش قابل توجهی از ژنوم (بیش از 90٪) رونویسی شده و دارای عملکردهای تنظیمی است. محققان هزاران محل افتراقی هیستون PTM را در NAc پس از قرار گرفتن در معرض داروهایی مانند کوکائین و مورفین کشف کردند که بسیاری از آنها در توالی های ژنومی تکراری قرار داشتند. کاهش در H3K9me3 در تکرارهای خاص، مانند توالی LINE1، با افزایش بیان آن تکرارها همراه است. این نشان می دهد که در حالی که تغییرات ژنی خاص به شدت توسط تغییرات کلی هیستون کنترل نمی شود، الگوهای کلی مشاهده شده ممکن است منعکس کننده بی ثباتی ژنومی متداول پس از قرار گرفتن در معرض  استفاده مکرر دارو باشد.
نقش متیلاسیون DNA در اعتیاد:
متیلاسیون DNA شامل افزودن یک گروه متیل به موقعیت C5 مولکول سیتوزین (5-mC) ، به ویژه در سایت های CpG است. این تغییر زنتیکی نقش های مختلفی در تمایز سلولی، چاپ، غیرفعال کردن کروموزوم X، خاموش کردن عناصر تکراری و تشکیل تومور دارد. متیلاسیون DNA به طور کلی اثر سرکوب کننده بر رونویسی ژن اعمال میکند به این صورت که از ارتباط فاکتورهای متصل شونده به DNA به توالی های هدفشان جلوگیری میکند یا با استفاده از به کارگیری مهارکننده های رونویسی کروماتین های اطراف را به حالت خاموش تبدیل میکند. در مقایسه با تغییرات دم هیستون، که به راحتی قابل برگشت در نظر گرفته می شوند، متیلاسیون DNA به عنوان یک تغییر اپی ژنتیکی پایدارتر در نظر گرفته می شود.
DNMT3a، که یک DNA متیل ترانسفراز است، در ناحیه خاصی از مغز به نام Nucleus Accumbens (NAc) میباشد پس از خروج طولانی مدت از مصرف کوکائین (28 روز) افزایش می‌یابد.  حذف موضعی DNMT3a از NAc، یا تزریق موضعی مهارکننده DNMT RG108، پاسخ های رفتاری به کوکائین را افزایش داد، در حالی که بیان بیش از حد DNMT3a در NAc اثر معکوس داشت. DNMT3a به همین ترتیب شاخه زایی های دندریتیک نورون های NAc را تنظیم می کند.  علاوه بر این، حذف NAc از MeCP2 (پروتئین اتصال متیل CpG 2)، که یک تعدیل کننده مهم انعطاف پذیری عصبی می باشد، پاداش آمفتامین را افزایش می دهد. این یافته‌ها نشان می‌دهد که DNMT3a و MeCP2 برای کاهش اثر دارو عمل می‌کنند.
تحقیقات اخیر نشان می دهد که متیلاسیون DNA در مغز بزرگسالان ممکن است پویاتر از آنچه قبلا تصور می شد باشد. پروتئین هایی به نام آنزیم های TET می توانند 5-متیل سیتوزین (5-mC) را به 5-هیدروکسی متیل سیتوزین (5-hmC) اکسید کنند، و سپس می تواند به مشتقات دیگر اصلاح شود. همچنین از طریق فرآیندهای آنزیمی مختلف، این مشتقات می توانند دوباره به حالت غیر متیله تبدیل شوند. این یافته‌ها توجه قابل‌توجهی را به خود جلب کرده‌اند.