The Effects of Nicotine on the Regulation of Neuronal Alpha7 Nicotinic Acetylcholine Receptors and Intracellular Signalling Pathways

Nicotine, the addictive compound of tobacco products, exerts its effects in the brain by binding to neuronal acetylcholine nicotinic receptors (nAChRs). The aim of the present study was to increase the knowledge of nicotine s complex effects, the focus being on homomeric alpha7-nAChRs that are widely expressed in the brain. Nicotinic regulation of differential signalling molecules including transcriptional regulators was also studied. We found that the number of alpha7-nAChRs is increased in specific brain regions in mice, in a time-dependent manner after chronic oral nicotine administration. Our results suggest that in addition to alpha4beta2-nAChRs, the other major nAChR subtype expressed in the brain, the number of alpha7-nAChRs is affected by chronic presence of nicotine. We suggest that when studying the long-term effects of nicotine, the duration on administration is of great importance. Next, we observed that nicotine exposure induces accumulation of cAMP in cell cultures expressing nAChRs. Furthermore, nicotine-induced alpha7-nAChR upregulation was potentiated by treatments enhancing cAMP-signalling, suggesting a role for cAMP in the upregulation process. Protein kinase C (PKC) was found essential for the basal regulation of alpha7-nAChR number. The nicotine-evoked alpha7-nAChR upregulation could be further increased by PKC overexpression. Thirdly, the effects of nicotine on dopamine and cAMP regulated phosphoprotein (DARPP-32) were characterised in rat brain. The results show that DARPP-32 is regulated by both acute and long-term nicotine treatment in the striatal subdivisions. The effect of acute nicotine is dose-dependent and the three striatal regions display differential sensitivities to nicotine. Chronic nicotine is also able to regulate DARPP-32 signalling with prominent effect seen in the nucleus accumbens (NAc), suggesting a role for DARPP-32 in the mediation of long-term effects of nicotine. Finally, the regulation of transcription factors Elk-1 and FosB/deltaFosB by nicotine was investigated. We found that Elk-1 is activated by acute nicotine selectively in the NAc core and hippocampal area CA1, whereas acute nicotine does not affect FosB/deltaFosB. Long-term intermittent or continuous nicotine increases the level of total Elk-1 in the same brain regions as acute nicotine. FosB/deltaFosB is also affected by chronic nicotine. Thus, similarly to other drugs of abuse, nicotine regulates transcriptional regulators Elk-1 and FosB/deltaFosB. These results bring further support for a common mechanism underlying the development of addiction. Nicotine s positive effects on learning and memory might involve the transcription factor Elk-1 based on the changes seen in the hippocampus, the key area in cognitive functions.

Nikotiini on tupakan riippuvuutta aiheuttava aine, jonka vaikutukset aivoissa välittyvät hermosolujen nikotiinireseptorien kautta. Väitöskirjatyön tarkoituksena oli lisätä tietämystä nikotiinin monimuotoisista vaikutuksista aivoissa. Työssä keskityttiin tutkimaan alfa7-reseptorialatyyppiä sekä selvitettiin nikotiinin vaikutuksia erilaisiin viestinvälittäjämolekyyleihin, kuten geeninsäätelytekijöihin. Havaitsimme, että pitkäaikainen nikotiinialtistus hiirille juomaveden mukana lisää alfa7-reseptorien määrää tietyillä aivoalueilla. Tulokset antavat viitteitä siitä, että aivojen toisen nikotiinireseptoripäätyypin, alfa4beeta2-reseptorien lisäksi, myös alfa7-reseptorien määrä muuttuu altistuttaessa nikotiinille. Uskomme, että nikotiinin annostelujakson pituudella on suuri merkitys selvitettäessä nikotiinin pitkäaikaisvaikutuksia. Tutkimuksen toisen osan päähavainto on, että solunsisäiset viestimolekyylit, syklinen AMP ja proteiinikinaasi C (PKC) säätelevät alfa7-reseptorimäärää. Havaitsimme muun muassa, että cAMP:n määrää lisäävät yhdisteet, samoin kuin PKC:n yli-ilmentäminen soluissa geenimanipulaation avulla, saavat nikotiinin aiheuttaman alfa7-reseptorimäärän kasvun lisääntymään entisestään. Selvitimme lisäksi nikotiinin vaikutuksia dopamiinin ja cAMP:n säätelemään fosfoproteiini DARPP-32:een rotan aivoissa. Havaitsimme, että nikotiini vaikuttaa monimuotoisesti tähän hermovälittäjäaine dopamiinin vaikutuksia välittävään viestimolekyyliin. Lyhykestoisen nikotiiniannon aikaansaamat muutokset DARPP-32:ssa ovat annosriippuvaisia ja eri aivoalueet poikkeavat toisistaan herkkyydessään näille vaikutuksille. DARPP-32:lla näyttäisi olevan merkitystä myös nikotiinin pitkäaikaisvaikutusten välittymisessä. Myös pitkäkestoisella nikotiiniannolla havaittiin selkeitä vaikutuksia DARPP-32:een. Lopuksi selvitimme nikotiinin vaikutuksia Elk-1 ja FosB/deltaFosB geeninsäätelytekijöihin. Lyhytkestoinen nikotiinianto sai aikaan Elk-1-aktivaation selektiivisesti tietyillä alueilla rotan aivoissa, mutta FosB/deltaFosB-säätelyyn akuutti nikotiini ei vaikuttanut. Pitkäaikaisen nikotiiniannon havaittiin vaikuttavan sekä Elk-1 että FosB/deltaFosB -säätelyyn. Tulokset antavat viitteitä siitä, että nikotiinilla on muiden riippuvuutta aiheuttavien aineiden tapaan vaikutuksia Elk-1 ja FosB/deltaFosB geeninsäätelytekijöihin. Väitöskirjatyön tulokset vahvistavat käsitystä, jonka mukaan riippuvuuden taustalla ovat samat syntymekanismit huolimatta käytetystä aineesta. Aivojen muistikeskus hippokampuksen alueella havaitut muutokset Elk-1-säätelyssä saattavat liittyä nikotiinin muistia ja oppimista parantavien vaikutusten syntyyn.