Dem Alkoholismus in Mausmodellen auf der Spur

Institut für Entwicklungsgenetik
Inge Sillaber1, Wolfgang Wurst1, 2
pidemiologische Studien der letzten
Jahre haben gezeigt, dass sowohl
Umweltfaktoren als auch genetische
Faktoren die Entstehung einer Alkoholabhängigkeit beeinflussen. Ein wichtiger
Umweltfaktor ist Stress – nicht nur in Bezug auf Alkoholmissbrauch, sondern auch
bei anderen psychischen Krankheiten wie
Angststörungen und Depression. Ebenso
hängt es von der genetischen Prädisposition
ab, ob jemand alkoholsüchtig wird. Denn
nicht jeder „soziale Trinker“ greift nach
Stress-Situationen zur Flasche und wird
zum Alkoholiker. Mäuse, bei denen die
Corticotropin-Releasing-Hormon-Rezeptoren 1 inaktiviert wurden, neigen überraschenderweise zu erhöhtem Alkoholkonsum, nachdem sie physischen oder psychischen Stress-Situationen ausgesetzt
waren.
E
AKTUELLE
THEMEN
Dem Alkoholismus
in Mausmodellen auf der Spur
Mouse Models for
Alcoholism
pidemiological studies carried out
over the past years have shown that
both environmental and genetic
factors contribute to the development of
alcoholism. Stress is an important environmental factor, not only with respect to
alcoholism but also for other psychiatric
diseases such as anxiety disorders and
depression. At the same time, genetic
predisposition plays an important role in
determining whether a person becomes
alcoholic or not; not every ‘social drinker’
becomes an alcoholic when exposed to
stress. Surprising results were obtained
with a mouse model in which the corticotropin releasing hormone receptor Crhr1
is inactivated; these animals tend to increase
their alcohol consumption when exposed
to physical or mental stress situations.
E
Stress und Alkohol
Es hat sich in den letzten Jahren herausgestellt, dass eine ganze Reihe von Neurotransmittern, zum Beispiel -Amino-Buttersäure (GABA), Dopamin und Serotonin
sowie deren Rezeptoren die Alkoholaufnahme, die Alkoholtoleranz und das Verlangen nach Alkohol beeinflussen. Bisher
wurde jedoch keines dieser Neurotransmittersysteme mit Alkoholsucht nach
1
2
Max-Planck-Institut für Psychiatrie, München,
GSF-Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit,
Institut für Entwicklungsgenetik
stressreichen Erfahrungen in Verbindung
gebracht. Obwohl schon lange bekannt ist,
dass stressinduzierte Alkoholsucht und
Suchtrückfallverhalten auch genetisch bedingt sind, konnten bisher keine zellulären
und molekularen Mechanismen aufgeklärt
werden, die diesen Krankheiten zugrunde
liegen. Neuere Studien weisen darauf hin,
dass das Corticotropin-freisetzende Hormon (CRH) oder Glutamate zur Alkoholsucht beitragen können. CRH steuert nicht
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GSF
Alkoholkonsum (g/kg/Tag)
Kontrolle
6
kurze
Stressepisoden
5
4
3
2
1
0
CRHR1 –/–
Alkoholkonsum (g/kg/Tag)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Monate
4
5
6
7
8
9
Monate
6
kurze
Stressepisoden
5
4
3
2
1
0
1
modifiziert von sillaber et al., 2002
2
3
Abb. 1: Auswirkung von physischem und psychischem Stress auf den freiwilligen Alkoholkonsum
von Mäusen. Kontrolltiere (oben) ändern ihr Trinkverhalten nicht, während Crhr1-/- Mäuse
(unten), deren zentrales Stress-System gestört ist, ihren Alkoholkosum deutlich steigern.
nur die hormonelle Antwort auf Stress,
sondern koordiniert auch eine ganze Reihe
von Verhaltensweisen, die geeignet sind,
die Stress-Situation zu bewältigen, beispielsweise Angst- und Fluchtverhalten,
Nahrungsaufnahme und Sexualverhalten.
Im Gehirn ist CRH im limbischen System
(Hippocampus, Amygdala und Neocortex)
aktiv, also in Regionen, die das emotionale
Verhalten koordinieren (Abb. 1).
Zu den Rezeptoren, die das CRH-Signal
hauptsächlich im limbischen System aufnehmen und weitertransportieren, gehört
der Corticotropin-Releasing-Hormon-Rezeptor Typ 1 (Crhr1). Um die physiologische Funktion dieses Rezeptors zu bestimmen, haben wir so genannte KnockoutMäuse erzeugt, die einen Defekt im Crhr1Gen tragen (Crhr1-/-Mäuse). Anhand dieser
Mutanten-Mäuse konnten wir zeigen, dass
40
GSF
Crhr1 die Freisetzung von Stresshormon
reguliert und auch das Angstverhalten
steuert: Crhr1-/-Mäuse sind weniger ängstlich. Deshalb stellen diese Tiere ein ideales
Tiermodell dar, um den Zusammenhang
zwischen Stress und Alkoholmissbrauch zu
untersuchen.
Crhr1-Mutanten werden zu
Alkoholikern
Da beim Menschen Stress zu Alkoholismus führen kann und bekannt ist, dass an
stressinduziertem Trinkverhalten auch
genetische Faktoren beteiligt sind, haben
wir Crhr1-Mäuse auf ihr Trinkverhalten hin
untersucht. Wildtyp- und Mutanten-Mäuse
bekamen jeweils zwei Trinkflaschen angeboten; eine Flasche enthielt Wasser, die
andere eine zwei- bis achtprozentige Alko-
Hippocampus
Amygdala
180kD
140
**
Mutanten-Mäuse plötzlich, Alkohol in
großen Mengen zu trinken. Nach ungefähr
sechs Monaten nahmen sie mehr als dreimal soviel Alkohol zu sich wie die normalen Mäuse. Interessanterweise behielten
sie dieses neue Trinkverhalten auch ein
Jahr später noch bei.
In einem zweiten Experiment erfuhren
wiederum männliche Tiere beider Gruppen
physischen Stress: An drei aufeinander folgenden Tagen wurden sie für jeweils fünf
Minuten in einen mit Wasser gefüllten
Behälter gegeben, so dass sie gezwungen
waren zu schwimmen (forced swim test);
dies ist für die Tiere sehr unangenehm aber
nicht lebensbedrohlich. Während der Experimentierphase blieb der Alkoholkonsum in
beiden Gruppen unverändert; drei Wochen
nach dem Experiment jedoch stieg er bei
den Mutanten erheblich an. Wiederum
tranken diese Tiere dreimal soviel Alkohol
wie die normalen Mäuse, und wieder war
dieses Verhalten auch nach mehr als einem
Jahr noch zu beobachten. Diese Experimente zeigen deutlich, dass Crhr1 – vermutlich in Verbindung mit anderen Genen –
AKTUELLE
THEMEN
hollösung. Ergebnis: Tiere beider Linien
tranken gelegentlich etwas Alkohol (soziale
Trinker), bevorzugten jedoch Wasser, und
beide Linien nahmen auch die gleiche
Menge an Flüssigkeit auf. Nachdem die
Mäuse acht Wochen lang an die freie Wahl
zwischen Alkohol und Wasser gewöhnt
worden waren, wurden sie Stress-Situationen ausgesetzt, und zwar psychischem und
physischem Stress (Abb. 2). Um psychischen Stress geht es im „sozialen Unterwerfungs“-Paradigma: Ein Männchen (Besucher) wird in den Käfig eines anderen
Männchens (Resident) gebracht. Sofort
attackiert der Resident den Besucher – er
verteidigt sein Revier. Dieses Experiment
wird an drei aufeinander folgenden Tagen
mehrmals wiederholt. Danach setzt man
beide Mäuse in einen Käfig, wo sie nur
durch einen Maschendraht voneinander
getrennt sind. So können sie sich gegenseitig wahrnehmen, aber der Besucher wird
nicht weiter angegriffen. Direkt nach diesem Test zeigte sich im Trinkverhalten
beider Gruppen keine Veränderung. Einige
Wochen später jedoch begannen die
Nucleus Accumbens
180kD
180kD
*
OD grey values (%)
120
100
80
60
40
20
0
Abb. 2: NR2B-Expressionsniveau in den Hirnbereichen Hippocampus, Amygdala und
Nucleus accumbens, quantifiziert durch Westernblot-Analysen (grün: Kontrolltiere, rot:
Crhr1-/-mutante Mäuse). Die Ergebnisse wurden durch optische Intensität der Banden
dargestellt, indem die Expression der Kontrolltiere als 100 Prozent angenommen wurde.
41
GSF
beim stressinduzierten Alkoholkonsum und
bei der Alkoholabhängigkeit eine wichtige
Rolle spielt. Am Mausmodell der Crhr1mutanten Mäuse lässt sich die Genetik der
Alkoholabhängigkeit hervorragend untersuchen.
Weitere Studien, die tiefere Einblicke darüber geben könnten, wie der Verlust von
Crhr1 das Trinkverhalten der Tiere beeinflusst, werden derzeit vorgenommen. Erste
Hinweise lassen jedoch vermuten, dass neben Crhr1 auch der Rezeptor für N-methylD-Aspartat (NMDA), im Besonderen seine
NR2B-Untereinheit an Alkoholsuchtverhalten beteiligt ist. Denn in Crhr1-Mutanten
wird die NR2B-Untereinheit in den Hirnbereichen Hippocampus und Nucleus accumbens verstärkt exprimiert. In der Tat ließ
sich in Assoziationsstudien mit alkoholsüchtigen Patienten eine veränderte Expression von NMDA/NR2B-Rezeptoren mit
Alkoholsuchtverhalten in Verbindung bringen. Um die molekularen Interaktionen von
Crhr1 und dem NMDA-Rezeptorkomplex
im Hinblick auf Alkoholsuchtverhalten aufzuklären, müssen weitere molekulargenetische und proteinchemische Untersuchungen an Tiermodellen und an Patienten vorgenommen werden.
Ausblick
Unsere Untersuchungen im Tiermodell
zeigen klar, dass der Crhr1-Rezeptor mit
Stress-induziertem Alkoholismus in Verbindung steht. Die Erkenntnisse lassen
vermuten, dass auch beim Menschen die
Aktivität von Crhr1 beziehungsweise die
im Crhr1-Signaltransduktionsweg aktiven
Gene verändert sein können und zum
Entstehen von Alkoholismus nach Stressexposition beitragen. Alternativ dazu
könnte eine Kette stressreicher Ereignisse
die Crh/Crhr1-Aktivität verändern und somit die Regulation der Stresshormone
stören. In der Tat führen stressvolle Erfahrungen in den ersten Lebensmonaten
zu einer lebenslang bleibenden Veränderung der Stresshormonregulation.
Weitere molekulargenetische Untersuchungen des Crhr1-Signaltransuktionsweges
im Zusammenhang mit Stress und anderen
Suszeptibilitätsgenen im Tiermodell und
beim Menschen könnten Aufschluss über
die molekularen Zusammenhänge dieser
Krankheit geben. Auf der Basis dieser Erkenntnisse ist es vorstellbar, neue Behandlungsmethoden für Alkoholismus zu entwickeln.
Danksagung
Unser Dank gilt den Mitarbeitern des
Max-Planck-Institutes für Psychiatrie,
München, und der Klinischen Kooperationsgruppe Molekulare Neurogenetik, die zum
Gelingen dieser Arbeiten wesentlich beigetragen haben.
Ausgewählte Veröffentlichungen
Crabbe, J.C. und Phillips, T.J.: Genetics of alcohol and
other abused drugs. Drug Alcohol Depen. 51, 61–71
(1998).
Sillaber, I., Rammes, G., Zimmermann, S., Mahal, B.,
Zieglgänsberger, W., Wurst, W., Holsboer, F. und
Spanagel, R.: Enhanced and delayed stress-induced
alcohol drinking in mice lacking a functional CRH-R1
receptor. Sience 296, 931–933 (2002).
Müller, M.B., Preil, J., Renner, U., Zimmermann, S.,
Kresse, A.E., Stalla, G.K., Keck, M.E., Holsboer, F. und
Wurst, W.: Expression of CRHR1 and CRHR2 in mouse
pituitary and adrenal gland: implications for HPA system
regulation. Endocrinology 142, 4150–5153 (2001).
42
GSF
Preil, J., Müller, M.B., Gesing, A., Reul, J.M.H.M.,
Sillaber, I., van Gaalen, M.M., Landgrebe, J., Holsboer,
F., Stenzel-Poore, M. und Wurst, W.: Regulation of the
hypothalamic-pituitary-adrenocortical system in mice
deficient for corticotropin-releasing hormone receptors
1 and 2. Endocrinology 142, 4946–4955 (2001).
Timpl, P., Spanagel, R., Sillaber, I., Kresse, A.,
Reul, J.M.H.M., Stalla, G.K., Blanquet, V., Steckler, T.,
Holsboer, F. und Wurst, W.: Impaired stress response
and reduced anxiety in mice lacking a functional
corticotropin-releasing hormone receptor 1. Nature
Genetics 19, 162–166 (1998).