Alcohol and gene expression in nerve cells with emphasis on transcription factor AP-1

Abstract

Alcohol induces profound effects on the function of the nerve cells in the nervous system. Alterations in gene expression is an important way by which these effects could be induced and sustained. Activating Protein-1 (AP-1) is a dimeric transcription factor constituted of proteins from the fos and jun immediate-early gene families. AP-1 induces gene expression of genes having a functional AP-1 binding site in their promoter. Alcohol has previously been demonstrated to modulate the expression of individual fos and jun genes and to alter the AP-1 binding activity in neuronal cells. The present study investigated the effects of alcohol on jun gene expression and AP-1 transcriptional activity and the signalling pathways involved in these processes in a human neuroblastoma SH-SY5Y cell line. Furthermore, experiments were conducted to screen for ethanol sensitive genes. The main findings of this study were that acute ethanol attenuated basal and TPA-induced junD mRNA expression without affecting the expression of the other jun genes, c-jun and junB. Acute ethanol exposure also attenuated muscarinic receptor-induced activation of the MAP kinases, p38 and JNK. The p38 MAPK was shown to be involved in muscarinic receptor-induced activation of junB and junD mRNA expression. Long-term ethanol exposure enhanced AP-1 transcriptional activity. This enhancement was blocked by inhibitors of PKC and MAPKs. Cellular retinoic acid-binding protein-I (CRABP-I) was identified as an ethanol sensitive gene. The CRABP-I gene expression was up-regulated by ethanol in a time- and dose-dependent manner. This findings support the idea that immediate-early genes and AP-1 are involved in the alcohol-induced changes in the function of nerve cells and that alcohol alters the expression of particular genes.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

En kontinuerlig alkoholkonsumtion leder till en ökad tolerans för alkohol (dvs en allt större dos krävs för att uppnå samma effekt) och kan slutligen också leda till ett alkoholberoende. Alkoholism är ett betydande samhällsproblem och en personlig tragedi för de som drabbas och deras omgivning.



Alkohol har till skillnad från andra beroendeframkallande droger som tex kokain och opiater inte uppvisat någon specifik effekt utan verkar på flera signalsystem och på flera nivåer i cellen. Det finns dock flera likheter i verkningssätt mellan de olika drogerna både på cellnivå och i effekter på olika delar av hjärnan bland annat belöningscentrat. Alkohol påverkar flera olika organ men utvecklandet av tolerans och beroende är kopplat till effekterna av alkohol på hjärnan och dess nervceller.



Alkoholmolekylen är både vatten- och fettlöslig vilket gör att den kan passera cellmembranet, det hölje som är uppbyggt av fettsyror och avgränsar cellen från dess omgivning. Denna egenskap gör att alkohol kan påverka funktioner både i cellmembranet och inne i cellen. Avgörande för hur en cell fungera och hur den fullgör sin specifika roll i kroppen är vilken uppsättning av proteiner (tex receptorer och enzymer) som finns i och på cellen. Proteiner bildas med gener (DNA) som mall. Det krävs dock ett mellansteg från genen till proteinet, sk budbärar-RNA vilket är en kopia av DNAt för en specifik gen och används av cellen som kod för tillverkning av proteinet. Alla typer av celler i kroppen innehåller samma arvsanlag, dvs en komplett genuppsättning. Vilka gener som kopieras och bildar proteiner skiljer sig dock från celltyp till celltyp. För att en gen ska kopieras krävs att det maskineri i cellen som gör budbärar-RNA aktiveras. Detta sker genom att sk transkriptionsfaktorer (också de proteiner) binder till en liten del av promotern, den DNA sekvens som sitter precis innan själva genen och fungerar som en kontrollstation för genaktiveringen. Oftast sker aktiveringen av en gen genom att ett yttre stimulus, tex receptorstimulering, sätter igång en signalkedja, vilken leder till genaktivering.



Vid uppkomsten av ett alkoholberoende har bestående förändringar i nervcellens funktion skett som ett slags anpassning till den nya situationen. En förändring av genaktiveringen tros vara en viktig komponent i utvecklandet av detta tillstånd.



Vad jag och mina medarbetare har studerat i denna avhandling är hur alkohol påverkar aktiveringen av en grupp gener med namnet immediate-early genes (IEGs). De proteiner som bildas av de här generna är byggstenar till en transkriptionsfaktor kallad AP-1. Även effekten av alkohol på AP-1 komplexets funktionen har studerats. För att aktivering av IEGs och AP-1 ska fungera krävs ett aktivt deltagande av speciella signalmolekyler sk kinaser. Vilka kinaser som är av betydelse för aktivering av IEG och AP-1 har till viss del kartlagts i denna studie. Slutligen har vi med hjälp av en relativt ny metod, kallad macro-array teknik, vilken möjliggör identifieringen av en förändrad genaktiviteten i tusentals gener samtidigt, hittat alkohol ?känsliga? gener.



Vi har framför allt använt oss av en odlad nervcell-linje i våra alkoholstudier. En av de IEG som vi har studerat är junD och för denna gen har vi visat att akut alkoholexponering i sig själv hämmar mängden budbärar-RNA. Akut alkohol hämmade också junD aktiveringen då vi stimulerade Protein Kinase C (PKC), en central signalmolekyl i aktiveringen av denna gen, vilket indikerar att PKC eller signalsteg mellan PKC och aktiveringen av junD hämmas av akut alkohol. Tidigare har det visats att junD budbärarRNA ökar vid kronisk alkoholexponering och tillsammans med denna studie går det att se ett kompensatoriskt mönster där akut alkohol hämmar medan kronisk alkohol ökar aktiveringen av en specifik gen. Detta mönster kunde inte iaktagas hos c-jun ett annat IEGs vilket visar att IEGs är påverkade på ett individuellt sätt av alkohol. Hur påverkar alkohol då transkriptionsfaktor AP-1s förmåga att aktivera gener som kan binda AP-1 till sin promoter? Här använde vi oss av en molekylärbiologisk metod som gav oss svar på hur aktiveringen av en specifik transkriptionsfaktor, AP-1 i vårt fall, påverkas av alkohol. Resultaten från denna studie visade att alkohol efter några dagar ger upphov till en ökad AP-1 styrd genaktivering. Flera olika signalmolekyler visade sig vara av betydelse för IEG genaktivering och AP-1 funktion i denna cell linje, förutom PKC var även kinaser tillhörande MAP kinase familjen involverade. CRABP-I, en gen involverad i vitamin A systemet, identifierades som en alkohol-känslig gene med macro-array teknik. Dess aktivitet var uppreglerad och resultat erhölls som indikerar att denna uppreglering involverar AP-1 aktivering. Sammanfattningsvis visar denna avhandling att IEGs och AP-1 kan påverkas av alkohol i nervceller och att det finns grund för att vidare studera gener vars aktivering styrs av AP-1 för att kunna förklara de mekanismerna som ligger bakom alkoholberoende.

• author: Fried, Ulrik
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Docent Franck, Johan, Inst. för Klinisk Neurovetenskap, Karolinska Institutet, Stockholm
• organization: Department of Laboratory Medicine
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurology
• keywords: nerve cells, SH-SY5Y, muscarinic receptors, MAPKs, PKC, gene expression, jun, Activating Protein-1, Alcohol, ethanol, CRABP-I, Clinical chemistry, Klinisk kemi
• pages: 108 pages
• defense location: Segerfalkssalen, Wallenberg Neurocentrum, Lund
• defense date: 2001-12-19 09:00:00
• ISBN: 91-628-5072-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 8e5bd33d-59b0-44ef-9f72-d000666c9e23 (old id 42098)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:18:50
• date last changed: 2018-11-21 20:58:02