Molecular mechanisms of cellular memory following a single drug exposure in dopaminergic neurons

Dopaminerge Neuronen (DNs) sind in ihrer Physiologie, Verschaltung, Krankheitsanfälligkeit und transkriptomischer Profile stark heterogen. DNs des Ventralen tegmentalen Areals (VTA) im Mittelhirn spielen eine zentrale Rolle bei Suchtprozessen und reagieren als Erstes auf eine einmalige Kokainexposition, die synaptische Umbauprozesse auslöst und zur Langzeitpotenzierung (LTP) führen kann. Während diese Veränderungen rasch auftreten und sich meist innerhalb einer Woche zurückbilden, sind die molekularen Mechanismen einer anhaltende zelluläre Erinnerung an die Erstexposition noch unzureichend verstanden. Zur Untersuchung des Epigenetischen Langzeitgedächtnisses in VTA-DNs führte ich eine single-cell multiome-Analyse (RNA-seq + ATAC-seq) zu mehreren Zeitpunkten nach akuter Kokainexposition bei Nagetieren durch. Neben unmittelbaren Effekten blieben bestimmte Gene auch 14 Tage nach der Kokaingabe differentiell exprimiert, darunter eine Hochregulation von Neuropeptiden, die mit erhöhtem Rückfallrisiko assoziiert sind, wie Cartpt, das zum kokaininduzierten Verhalten nach Abstinenz beiträgt. Auf Chromatinebene zeigte der Transkriptionsfaktor Activator Protein 1 (AP-1) ein biphasisches Muster: Einige Regionen waren transient geöffnet, andere langfristig reprimiert, was auf einen Übergang von Stimulus-getriebener Transkription zu dauerhafter Stilllegung hindeutet. Parallel beobachteten wir einen Verlust der DN-Identität, erkennbar an verringerter Zugänglichkeit DN-spezifischer Foxa1/Foxa2-Bindungsstellen und Herunterregulation von DN-Markergenen. Schließlich wurden Zielgene des Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) transient oder dauerhaft hochreguliert. Diese Befunde deuten darauf hin, dass eine unvollständige Wiederherstellung der PRC2-gesteuerten Repression zentral für die anhaltende zelluläre Antwort sein könnte. Insgesamt zeigt meine Arbeit dynamische Veränderungen in Genexpression und Chromatinregulation, die der verzögerten Erholung nach einer ersten Kokainexposition zugrunde liegen.