Cocaine regulates ezrin-radixin-moesin proteins and RhoA signaling in the nucleus accumbens

Abstract

[한글]코카인은 중뇌의 복측피개영역에서 전뇌의 중격측좌핵으로 연결되는 보상회로라고 불리는 신경회로망에 영향을 미치는데, 이중에서도 중격측좌핵은 복측피개영역 뿐 아니라 전전두엽 피질 등 여러 뇌 부위에서 정보를 받아 코카인에 의한 행동변화를 나타내는 부위이다. 실험동물에게 코카인을 반복하여 주면 중격측좌핵 신경세포에 구조 및 기능에 변화가 생기면서 중독이라는 병적 상태에 빠지게 된다. 실제로 행동과민반응과 같은 약물중독 동물 모델에서 수상돌기 가시의 수가 많아지는 것이 중격측좌핵에서 관찰되었음이 보고 된 바 있다. 수상돌기 가시는 축삭종말과 시냅스를 이루며, 액틴미세섬유가 많이 존재한다고 알려져 있다. Ezrin-radixin-moesin (ERM) 단백질은 서로 높은 상동성을 가지고 있으며, 구조 단백질인 섬유성 액틴 단백질을 원형질 막과 연결 시켜주는 역할을 하면서 수상돌기 가시의 형태를 조절하는데 관여한다. 이러한 지식을 배경으로 본 연구에서는 중격측좌핵에서 ERM 단백질의 인산화가 코카인에 의해 어떻게 조절을 받는가에 대해 알아보았다.

우선, 코카인을 복강주입 하였을 때, 주입 후 15분부터 60분까지 코카인 농도 의존적으로 중격측좌핵의 ERM 단백질의 인산화가 현저하게 감소함을 관찰하였다. ERM 단백질은 C 말단의 스레오닌 (threonine)이 인산화 되어야 활성화 되는데, 이 부위의 인산화는 RhoA와 이것의 가장 유력한 기질인 Rho kinase에 의하여 조절 받는 다는 것이 알려져 있다. RhoA는 GTP와 붙어 있을 때만 활성화 되며, 동시에 Rho kinase와 결합한다. 또한 이렇게 활성화 된 RhoA와 Rho kinase는 세포막으로 이동하게 된다. 이러한 배경에 따라 다음으로 원형질막으로 이동한 RhoA양과 GTP와 결합한 RhoA양을 조사하였다. 그 결과, ERM 인산화와 마찬가지로 원형질막으로 이동한 RhoA 뿐 아니라 GTP와 결합한 RhoA 양이 코카인에 의해 감소함을 관찰하였다. 또한, Rho kinase의 억제제 Y27632 (1.0 or 10.0 μg/0.5 μl/side) 또는 RKI II (0.5 or 2.0 μg/0.5 μl/side)를 직집 중격측좌핵에 주입하였더니, 역시 ERM의 인산화가 감소함을 관찰하였다.

이러한 결과들을 종합해보면, 중독성 약물인 코카인은 중격측좌핵의 ERM과 RhoA, 그리고 Rho kinase에 의한 신호전달경로를 조절하고 있음을 알 수 있다. ERM 단백질은 세포 내에서 신호전달에 관여할 뿐 아니라, 세포 구조의 유지에도 중요한 역할을 담당하고 있기 때문에 이러한 결과들은 중독성 약물이 어떤 기전으로 중격측좌핵 신경세포의 구조변화를 일으키는가에 대한 중요한 단서를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.

[영문]Cocaine induces structural plasticity in the nucleus accumbens (NAcc), which may importantly contribute to the development of drug addiction. The ezrin-radixin-moesin (ERM) proteins have been implicated in cell-shape determination by crosslinking F-actin to plasma membranes. However, it has not been determined yet how ERM proteins are regulated by cocaine. Here we show that the phosphorylation levels of ERM protein are dose- and time-dependently decreased in the NAcc by a single injection of cocaine (15 or 30 mg/kg, i.p.). Further, we show that not only the amount of active RhoA, a small GTPase protein, but also the membrane to cytosol ratio of RhoA is significantly reduced in the NAcc by cocaine (15 or 30 mg/kg, I.P.), while the phosphorylation levels of ERM protein are also decreased by bilateral microinjections in this site of the Rho kinase inhibitors, Y27632 (1.0 or 10.0 ?g/0.5 μl/side) or RKI II (0.5 or 2.0 ?g/0.5 μl/side). Together, these results suggest that cocaine reduces phosphorylated ERM levels in the NAcc by making down-regulation of RhoA-Rho kinase signaling, which may importantly contribute to initiate synaptic morphological changes in the NAcc leading to drug addiction.