脳におけるアルコールの作用遺伝学、メタボロミクス、GABA受容体、プロテオミクス、グルタミン酸トランスポーターGLAST/EAAT1

Actions of alcohol in brain: Genetics, Metabolomics, GABA receptors, Proteomics and Glutamate Transporter GLAST/EAAT1.

• Mohammed Abul Kashem
• Omar Šerý
• David V Pow
• Benjamin D Rowlands
• Caroline D Rae
• Vladimir J Balcar

抄録

我々の研究室を中心に行われている遺伝子、メタボローム解析、プロテオーム解析、神経化学的研究の概要を紹介する。インターロイキン2と6、カテコール-O-メチルトランスフェラーゼ（COMT）、モノアミノオキシダーゼB（MAO B）、その他いくつかの酵素をコードする遺伝子の特定の多型が、ヒトにおけるアルコール依存症のリスクの変化と関連していることが確認されました。BDNF遺伝子の多型は、アルコール依存症患者に見られる色覚異常の発症リスクと関連しています。モルモットの脳皮質における急性エタノールの影響のin vitroでのメタボローム研究は、様々な用量のアルコールの作用に関与するGABA(A)受容体の特定のサブタイプの同定につながります。急性アルコールはエネルギー代謝、酸化、アクタルアルデヒドとアセテートの産生に影響を与えた；これは脳のエネルギー産生/利用だけでなく、アルコールの細胞毒性やエピジェネティクス（ヒストンアセチル化）にも影響を与える可能性がある。エタノールの脳内代謝が有意な程度に起こるとは考えられず、アルコール摂取後のグルコース代謝の低下は、α4β3δ GABA(A)受容体などの受容体へのエタノールの影響によるものである。死後のヒトの脳を用いたメタボロミクスの結果、カテコールアミン作動性シグナルが慢性的な過剰飲酒によって優先的に影響を受ける可能性が示唆された。グルタチオンのレベルの変化は、重度の酸化ストレスの存在と関連していた。死亡後のアルコール依存性脳のプロテオミクス研究では、多数のタンパク質が同定され、その発現は慢性的なアルコールによって変化し、脳のエネルギー代謝に関連するタンパク質が最も多く含まれていた。神経化学的研究では、アルコール依存症による最大の変化の一つとして、グルタミン酸トランスポーターGLAST/EAAT1の脳内発現が増加していることが明らかになりました。GLAST/EAAT1は神経組織に最も多く存在するタンパク質の一つであり、興奮性（グルタミン酸）シナプスの機能と密接に関連していることから、慢性アルコールが脳機能に及ぼす影響の中で最も重要なものの一つであると考えられます。これまでのところ、主に前頭前野で観察されていますが、急性アルコールがアストロサイトのGLAST/EAAT1を細胞膜に移動させることを示唆する実験結果がいくつか示されています（この効果はGABA(B)アゴニストであるバクロフェンによって阻害されます）が、この現象のメカニズムや（アルコールに対する）特異性は確立されていません。さらに、GLAST/EAAT1は精巣や精子にも発現しているため（慢性的なアルコールによっても影響を受ける可能性がある）、精子中のGLAST/EAAT1のレベルは、ヒト男性のアルコール依存症の重症度を検査する診断ツールとして使用することができます。我々は、レビューされた研究は、アルコール依存症（遺伝学）を開発するリスクを予測するために役立つ可能性がありますユニークなデータのセットを提示し、アルコールの酩酊作用の理解を向上させる（メタボロミクス）、慢性的な過度の飲酒（メタボロミクスとプロテオミクス）によって引き起こされる脳細胞への損傷の程度の評価を支援するために、アルコール依存症やアルコール依存症の治療や診断に使用することができる分子標的を指摘することを結論づけています。

We present an overview of genetic, metabolomic, proteomic and neurochemical studies done mainly in our laboratories that could improve prediction, mechanistic understanding and possibly extend to diagnostics and treatment of alcoholism and alcohol addiction. Specific polymorphisms in genes encoding for interleukins 2 and 6, catechol-O-methyl transferase (COMT), monaminooxidase B (MAO B) and several other enzymes were identified as associated with altered risks of alcoholism in humans. A polymorphism in the gene for BDNF has been linked to the risk of developing deficiences in colour vision sometimes observed in alcoholics. Metabolomic studies of acute ethanol effects on guinea pig brain cortex in vitro, lead to the identification of specific subtypes of GABA(A) receptors involved in the actions of alcohol at various doses. Acute alcohol affected energy metabolism, oxidation and the production of actaldehyde and acetate; this could have specific consequences not only for the brain energy production/utilization but could influence the cytotoxicity of alcohol and impact the epigenetics (histone acetylation). It is unlikely that brain metabolism of ethanol occurs to any significant degree; the reduction in glucose metabolism following alcohol consumption is due to ethanol effects on receptors, such as α4β3δ GABA(A) receptors. Metabolomics using post-mortem human brain indicated that the catecholaminergic signalling may be preferentially affected by chronic excessive drinking. Changes in the levels of glutathione were consist ent with the presence of severe oxidative stress. Proteomics of the post-mortem alcoholic brains identified a large number of proteins, the expression of which was altered by chronic alcohol, with those associated with brain energy metabolism among the most numerous. Neurochemical studies found the increased expression of glutamate transporter GLAST/EAAT1 in brain as one of the largest changes caused by alcoholism. Given that GLAST/EAAT1 is one of the most abundant proteins in the nervous tissue and is intimately associated with the function of the excitatory (glutamatergic) synapses, this may be among the most important effects of chronic alcohol on brain function. It has so far been observed mainly in the prefrontal cortex We show several experiments suggesting that acute alcohol can translocate GLAST/EAAT1 in astrocytes towards the plasma membrane (and this effect is inhibited by the GABA(B) agonist baclofen) but neither the mechanism nor the specificity (to alcohol) of this phenomenon have been established. Furthermore, as GLAST/EAAT1 is also expressed in testes and sperm (and could also be affected there by chronic alcohol), the levels of GLAST/EAAT1 in sperm could be used as a diagnostic tool in testing the severity of alcoholism in human males. We conclude that the reviewed studies present a unique set of data which could help to predict the risk of developing alcohol dependence (genetics), to improve the understanding of the intoxicating actions of alcohol (metabolomics), to aid in assessing the extent of damage to brain cells caused by chronic excessive drinking (metabolomics and proteomics) and to point to molecular targets that could be used in the treatment and diagnosis of alcoholism and alcohol addiction.

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