乙酰辅酶A参与组蛋白乙酰化修饰在可卡因成瘾中的作用及其分子机制

Histone acetylation is an important epigenetic regulation for cocaine addiction. Cocaine exposure increases global levels of acetylated histone H3 and H4 in the nucleus accumbens (NAc). Histone acetylation promotes the recruitment of transcriptional activating complexes, which results in permissive expression of addiction-related genes. The increased acetylated histone indicates more consumption of acetyl-CoA, the acetyl group donor. To date, however, little is known about the source of acetyl-CoA in neurons of NAc. Based on our previous study, the molecular chaperon, heat shock protein 70(HSP70) can bind to ATP-citrate lyase(ACL), an key enzyme that catalyzes citrate into acetyl-CoA. In this study, we aims to study the metabolic generation of acetyl-CoA after cocaine exposure and the its role in histone acetylation and cocaine behavioral effect. Furthermore, how HSP70 binds to ACL and shuttle ACL.from cytoplasm to nucleus will be intensively investigated. Our study is expected to reveal a new epigenetic mechanism of cocaine addiction. We propose to elucidate the molecular mechanism of acetyl-CoA, as an acetyl group donor, in regulating histone acetylation and addiction behaviors. This research is significant for building the cross-talk between cellular molecular metabolism and epigenetic regulation; moreover, this study would provide a new sight for the treatment of drug addiction.

组蛋白乙酰化是可卡因成瘾重要的表观调控机制。可卡因暴露上调伏隔核组蛋白乙酰化的整体水平，促进转录因子向DNA招募、最终促进成瘾相关基因的转录。因此，在组蛋白乙酰化修饰过程中，需消耗更多的乙酰基团供体——乙酰辅酶A。但成瘾过程中多巴胺奖赏回路神经元核内乙酰辅酶A的来源及其作用尚不清楚。我们前期发现，可卡因显著增加伏隔核核内乙酰辅酶A水平；具有入核功能的分子伴侣蛋白HSP70能够结合ATP-柠檬酸裂合酶（ACL），而后者是催化柠檬酸生成乙酰辅酶A的关键酶。本课题拟研究可卡因暴露后，伏隔核神经元核内乙酰辅酶A的来源及其在组蛋白乙酰化修饰及成瘾行为中的作用；深入探索HSP70将ACL“摆渡”入核、在核内生成乙酰辅酶A的机制。这将揭示乙酰辅酶A作为乙酰基团供体参与可卡因成瘾效应的表观调控新机制，对于阐明细胞分子代谢与成瘾表观调控的内在关联性、提出成瘾防控的新思路具有重要的科学与实践意义。

可卡因暴露能诱导脑伏隔核组蛋白乙酰化水平整体升高，导致成瘾相关基因表达上调。组蛋白乙酰化的发生依赖于乙酰基团供体（乙酰辅酶A）作为反应底物的参与。本课题建立多个小鼠可卡因成瘾模型，对乙酰辅酶A生成代谢的关键酶——ATP-柠檬酸裂合酶（ATP-citrate lyase, ACL）和热休克蛋白70（HSP70）进行检测，发现可卡因暴露能升高ACL、HSP70的表达及其在神经元胞核中的分布，且可卡因成瘾小鼠细胞核内柠檬酸降低、乙酰辅酶A升高。本课题发现ACL和HSP70可以结合，并通过氢键、盐桥和疏水性作用等多种方式发生相互作用。运用遗传学（hsp70干扰RNA）和药理学（小分子抑制剂KNK437）手段抑制HSP70，发现伏隔核内特异性抑制HSP70能显著抑制可卡因成瘾行为；抑制HSP70能显著降低ACL在细胞核中的分布，并伴随着核内柠檬酸升高、乙酰辅酶A降低和成瘾相关组蛋白位点乙酰化水平降低。通过建立小鼠社交挫败模型，发现应激小鼠在低剂量可卡因暴露下（5 mg/kg）即可产生明显的条件位置偏爱效应，慢性社交挫败应激与可卡因具有协同作用，能显著增加组蛋白乙酰化整体水平，易化可卡因成瘾效应。本课题采用13C-柠檬酸标记示踪，发现伏隔核细胞内H2BK17ac、H2BK21ac、H3K24ac、H4K9ac、H4K13ac和H4K92ac等六个组蛋白乙酰基团中含有13C原子，确证ACL催化柠檬酸生成的乙酰辅酶A能够作为乙酰基团的供体参与组蛋白乙酰化修饰。. 本课题系统研究了柠檬酸来源的乙酰辅酶A在可卡因成瘾组蛋白乙酰化修饰中的作用及其分子机制，发现可卡因暴露能增强伏隔核细胞依赖于ACL的乙酰辅酶A生成代谢，其催化柠檬酸生成的乙酰辅酶A可用于伏隔核细胞的组蛋白乙酰化修饰；HSP70是ACL入核的“分子摆渡人”，通过抑制HSP70，减少ACL在伏隔核神经元胞核中的分布，可抑制组蛋白乙酰化及成瘾行为；通过社交挫败应激上调HSP70的表达则可以易化可卡因成瘾。本课题的结果揭示了成瘾下细胞代谢与表观调控的内在联系，阐明了慢性社会心理应激易化可卡因成瘾的神经生物学机制，对于以HSP70和ACL为靶标的成瘾治疗药物的研发，具有理论指导意义。