Methamphetamine (METH) is one of the most widely abused illicit substances worldwide; unfortunately, its addiction mechanism remains unclear. Based on accumulating evidence, changes in gene expression and chromatin modifications might be related to the persistent effects of METH on the brain. In the present study, we took advantage of METH-induced behavioral sensitization as an animal model that reflects some aspects of drug addiction and examined the changes in gene expression and histone acetylation in the prefrontal cortex (PFC) of adult rats. We conducted mRNA microarray and chromatin immunoprecipitation (ChIP) coupled to DNA microarray (ChIP-chip) analyses to screen and identify changes in transcript levels and histone acetylation patterns. Functional enrichment analyses, including Gene Ontology (GO) and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) analyses, were performed to analyze the differentially expressed genes. We then further identified alterations in ANP32A (acidic leucine-rich nuclear phosphoprotein-32A) and POU3F2 (POU domain, class 3, transcription factor 2) using qPCR and ChIP-PCR assays. In the rat model of METH-induced behavioral sensitization, METH challenge caused 275 differentially expressed genes and a number of hyperacetylated genes (821 genes with H3 acetylation and 10 genes with H4 acetylation). Based on mRNA microarray and GO and KEGG enrichment analyses, 24 genes may be involved in METH-induced behavioral sensitization, and 7 genes were confirmed using qPCR. We further examined the alterations in the levels of the ANP32A and POU3F2 transcripts and histone acetylation at different periods of METH-induced behavioral sensitization. H4 hyperacetylation contributed to the increased levels of ANP32A mRNA and H3/H4 hyperacetylation contributed to the increased levels of POU3F2 mRNA induced by METH challenge-induced behavioral sensitization, but not by acute METH exposure. The present results revealed alterations in transcription and histone acetylation in the rat PFC by METH exposure and provided evidence that modifications of histone acetylation contributed to the alterations in gene expression caused by METH-induced behavioral sensitization.

中文翻译：

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甲基苯丙胺诱导的行为致敏导致大鼠前额叶皮层基因表达和组蛋白乙酰化的差异变化

甲基苯丙胺 (METH) 是全世界滥用最广泛的非法物质之一；不幸的是，其成瘾机制尚不清楚。根据越来越多的证据，基因表达和染色质修饰的变化可能与 METH 对大脑的持续影响有关。在本研究中，我们利用 METH 诱导的行为敏化作为反映药物成瘾某些方面的动物模型，并检查了成年大鼠前额叶皮层 (PFC) 中基因表达和组蛋白乙酰化的变化。我们进行了 mRNA 微阵列和染色质免疫沉淀 (ChIP) 与 DNA 微阵列 (ChIP 芯片) 分析的结合，以筛选和识别转录水平和组蛋白乙酰化模式的变化。功能富集分析，包括基因本体论（GO）和京都基因和基因组百科全书（KEGG）分析，被用来分析差异表达的基因。然后，我们使用 qPCR 和 ChIP-PCR 分析进一步鉴定了 ANP32A（酸性富含亮氨酸的核磷蛋白-32A）和 POU3F2（POU 结构域，第 3 类，转录因子 2）的变化。在 METH 诱导的行为致敏大鼠模型中，METH 攻击导致 275 个差异表达基因和许多高度乙酰化基因（821 个基因具有 H3 乙酰化，10 个基因具有 H4 乙酰化）。基于 mRNA 微阵列和 GO 和 KEGG 富集分析，24 个基因可能参与 METH 诱导的行为致敏，7 个基因使用 qPCR 确认。我们进一步检查了 ANP32A 和 POU3F2 转录物和组蛋白乙酰化水平在 METH 诱导的行为敏化的不同时期的变化。H4 过度乙酰化导致 ANP32A mRNA 水平增加，H3/H4 过度乙酰化导致 POU3F2 mRNA 水平增加，由 METH 挑战诱导的行为敏化引起，但不是由急性 METH 暴露引起的。目前的结果揭示了 METH 暴露导致大鼠 PFC 转录和组蛋白乙酰化的改变，并提供了证据表明组蛋白乙酰化的修饰有助于由 METH 诱导的行为敏化引起的基因表达的改变。H4 过度乙酰化导致 ANP32A mRNA 水平增加，H3/H4 过度乙酰化导致 POU3F2 mRNA 水平增加，由 METH 挑战诱导的行为敏化引起，但不是由急性 METH 暴露引起的。目前的结果揭示了 METH 暴露导致大鼠 PFC 转录和组蛋白乙酰化的改变，并提供了证据表明组蛋白乙酰化的修饰有助于由 METH 诱导的行为敏化引起的基因表达的改变。H4 过度乙酰化导致 ANP32A mRNA 水平增加，H3/H4 过度乙酰化导致 POU3F2 mRNA 水平增加，由 METH 挑战诱导的行为敏化引起，但不是由急性 METH 暴露引起的。目前的结果揭示了 METH 暴露导致大鼠 PFC 转录和组蛋白乙酰化的改变，并提供了证据表明组蛋白乙酰化的修饰有助于由 METH 诱导的行为敏化引起的基因表达的改变。