Adenynyl cyclase type 5 is an essential mediator of the mesolimbic opioid receptor function and stress coping responses

Abstract

몰핀은 포함한 오피오이드는 mu, delta, kappa 수용체들을 활성화시키고 억제성 G-단백질인 Gi/o를 활성화시키며, 활성화된 G-단백질은 아데닐릴 싸이클라아제 (AC)의 활성을 억제하여 몰핀의 약리학적 효과를 나타낸다. 즉, 아데닐릴 싸이클라아제(AC)는 오피오이드 작용 과정에서 중요한 효과기 (effector)로 기능하며 오피오이드 수용체가 활성화되면 AC의 효소 기능이 억제된다고 알려져 있다. 그러나 알려진 10 종류의 아데닐릴 싸이클라아제 중에서 어느 종류가 어떤 오피오이드 수용체들과 연계되어 있는지, 또 몰핀의 주요 기능을 전달하는 주 효과기인지 알려진 것이 거의 없다. 본 연구에서는 오피오이드의 작용에 타입 5 아데닐릴 싸이클라아제가 관여하는지 알아보기 위해 타입 5 아데닐릴 싸이클라아제가 녹아웃된 마우스를 사용하였다. 먼저, 널리 사용되고 있는 오피오이드인 몰핀을 이용하여 몰핀에 의해 유발되는 마우스의 활동성의 증가 (hyperlocomotion)와 통증억제 (analgesia), 내성 (tolerance), 보상효과 (reward), 의존성 (physical dependence & withdrawal)의 형성 정도를 정상 마우스와 비교하여 관찰하였다. 녹아웃 마우스의 경우, 모르핀에 의해 유도되는 이러한 대부분의 행동들이 정상 마우스에 비해 낮아져 있었다. 이러한 행동특징이 오피오이드 수용체 중에서 어떤 수용체의 영향인지 알아보기 위해 수용체 특이적인 활성제 (agonist)를 투여하고 마우스의 행동적인 특징을 관찰하였다. Mu-수용체와 delta-수용체에 대한 활성제에 의한 마우스의 활동성 증가 효과는 녹아웃 마우스에서 완전히 결여되거나 아주 낮아져 있었으나, kappa-수용체의 활성제의 경우는 정상 마우스와 유사한 수준으로 관찰되었다. 이는 선조체 막단백질을 이용한 아데닐릴 싸이클라아제의 활성도 측정결과와도 일관된 것이었다. 이러한 결과들은 type 5 아데닐릴 싸이클라아제가 in vivo에서 mu-수용체와 delta-수용체에 중요한 신호 전달 물질이며 오피오이드의 작용에서 cAMP 체계가 중요한 역할을 담당할 것임을 시사한다. 만성 스트레스가 불안증 (anxiety)을 유발시킨다는 보고들이 있지만 스트레스 반응과 불안증이 어떻게 연계되어 있는지는 잘 알려지지 않다. 또한, cAMP 체계가 불안증 등의 심리적 반응에 연관되어 있다는 보고 들이 있으나 그 구체적인 메커니즘은 알려져 있지 않다. 타입 5 아데닐릴 싸이클라아제의 녹아웃 마우스는 open field test, novel object test, elevated plus maze test에서 정상 마우스에 비해 불안감이 감소되어 있었다. 불안감이 감소되어 있는 녹아웃 마우스의 특징은 D1 도파민 수용체의 활성제인 dihydrexidine을 투여한 경우 불안감이 보다 낮아지고 D1 도파민 수용체의 억제제인 SCH23390을 투여하면 불안감이 정상 마우스와 유사할 정도로 증가되었다. 불안감이 감소되어 있음에도 불구하고 타입 5 아데닐릴 싸이클라아제 녹아웃 마우스는 2시간의 신체구금 스트레스를 매일 반복하여 주었을 때, 스트레스를 받은 정상 마우스에 비해 체중과 먹이섭취량이 유의할 정도로 감소되었고 불안감이 형성되었으며 심지어 약 20% 정도의 마우스는 스트레스를 받은지 5일 이내에 죽었다. 이러한 스트레스 반응이 어떤 뇌 부위에 의한 것인지 알아보기 위해 신체구금 스트레스에 의해 활성화되는 뇌 부위에서 c-Fos 발현 양상을 조사하였다. 대체로 정상 마우스와 AC5 녹아웃 마우스 간의 차이가 없었으나 스트레스를 받은 녹아웃 마우스 뇌의 dorsal striatum에서의 c-Fos 발현이 스트레스를 받은 정상 마우스에 비해 현저히 감소되어 있었다. 녹아웃 마우스의 스트레스 반응은 D1 수용체의 길항제인 SCH23390와 GABA(A) 수용체의 활성제인 diazepam을 처리하였을 때 유의하게 완화되었다. 이러한 결과들은 타입 5 아데닐릴 싸이클라아제와 D1 도파민 수용체, GABA(A) 수용체 체계가 스트레스와 불안감에 중요한 신경 조절 인자임을 시사해 준다.;Opioid drugs produce their pharmacological effects by activating Gi/o-linked mu, delta, and kappa opioid receptors. One major effector for these receptors is adenylyl cyclase, which is inhibited upon receptor activation. However, little is known about which of the ten known forms of adenylyl cyclase are involved in mediating opioid actions. In this study, it was demonstrated that all of the major behavioral effects of morphine, including locomotor activation, analgesia, tolerance, reward, and physical dependence and withdrawal, are attenuated in mice lacking adenylyl cyclase type 5 (AC5), a form of adenylyl cyclase that is highly enriched in striatum. Furthermore, the behavioral effects of selective mu or delta opioid receptor agonists are lost in AC5-/- mice, whereas the behavioral effects of selective kappa opioid receptor agonists are unaffected. These behavioral data are consistent with the observation that the ability of a mu or delta opioid receptor agonist to suppress adenylyl cyclase activity was absent in striatum of AC5-/- mice. Together, these results establish AC5 as an important component of mu and delta opioid receptor signal transduction mechanisms in vivo, and provide further support for the importance of the cAMP pathway as a critical mediator of opioid action. Chronic stress evokes anxiety. However, how the stress responses and anxiety are interrelated has yet to be elucidated. In the present study, the neural substrates regulating stress coping and anxiety-related behaviors were explored. Mice lacking AC5 gene showed tonic anxiolytic-like behaviors in the open field and the elevated plus maze tests. The anxiolytic-like responses of AC5-/- mice were reinforced by the D1 receptor agonist DHX, while they were extinguished by the D1 receptor antagonist, SCH23390. Despite their anxiolytic-like behavioral trait, AC5-/- mice showed a dramatic reduction of body weight and increased anxiety in response to the subchronic restraint stress (2 hr/day, 5 days), and >20% of stress-treated AC5 -/- mice died due to the failure of proper stress coping. The stress-triggered c-Fos induction in the brain of AC5-/- was silent in the dorsal striatum, which sharply contrasted with the enhanced c-Fos induction in the corresponding region of AC5+/+ mice. In the AC5-/- animals that were treated with SCH23390 prior to being subjected to restraint stress, the stress-induced loss of body weight and the evoked anxiety reverted to the levels of the untreated AC5-/- mice. The GABA(A) receptor agonist, diazepam, was also anxiolytic in the AC5-/- mice and significantly improved the stress coping ability of the mutant mice. These results suggest that the AC5/cAMP, D1 dopamine receptor and GABA(A) receptor systems constitute a part of the neural substrates controlling both stress coping responses and anxiety-related behaviors.