| Abstract | Addiction is a multifactorial neuropsychiatric disorder marked by compulsive drug-seeking behaviors despite adverse consequences. Neuroplasticity, the ability of the brain to adapt and reorganize, plays a crucial role in addiction, involving changes in gene expression, protein modifications, and synaptic organization. Alterations in redox homeostasis, particularly dysregulation of reactive oxygen species (ROS) signaling, are implicated in these neuroplastic changes. Drosophila melanogaster, with its well-characterized genome and genetic tools, serves as a valuable model for studying addiction-like behaviors such as drug self-administration (SA) and locomotor sensitization (LS). This research aims to identify genes and proteins involved in methamphetamine (METH) addiction using flies and approach integrating behavioral assays, genetic manipulations (selective breeding and genetic screening), and proteomic analyses.
We developed the FlyCafe assay to measure METH consumption and demonstrated flies' preferential SA of METH. Through 30 generations of selective breeding, we established fly strains with high (HP) and low (LP) preferences for METH, revealing distinct phenotypic profile of LP flies, including increased activity and body weight, decreased sleep and negative geotaxis and increased dopamine, tyramine and glutamate relative to HP flies. Proteomic analysis of these strains identified differential proteins linked to metabolic processes, structural integrity, and protein turnover, including Bacchus, negative regulator of conversion of tyramine to octopamine, which was uniquely present in LP flies. Next, we showed that flies exhibiting LS displayed reduced preference for METH SA, and vice versa, suggesting shared molecular mechanisms through the period gene. We conducted a genetic screen to identify redox-related genes that regulate LS to volatilized METH (vMETH), uncovering several critical genes such as Cat, Sod1, Sod2, Gapdh1, and Men, which play functional roles in the regulation of LS. Remarkably, Sod1, Gapdh1, and Men are necessary in dopaminergic and serotonergic neurons for both LS and SA. Proteomic analysis of brain tissues from flies that did or did not develop LS after two administrations of vMETH identified a set of proteins unique to the LS phenotype, highlighting significant changes in redox-related proteins. This included the upregulation of several antioxidative, glycolytic, and tricarboxylic acid (TCA) cycle enzymes (Cat, Prx3, Prx6c, Jafrac1, Gapdh1, Gapdh2, mAcon1, Mdh1, Mdh2) and the downregulation of enzymes related to oxidative phosphorylation (NADH dehydrogenases).
Combining these results, our study reveals that both LS and SA of METH are modulated by interconnected pathways involving peroxide regulation, glucose metabolism, NADPH production, and neurotransmitter systems. Together, these processes contribute to the development and maintenance of addiction-related neuroplasticity evident as LS and SA. Additionally, our findings highlight the importance of the neurotransmitter tyramine in SA behavior, indicating that elevated tyramine levels, influenced by the Bacchus protein, may modulate the neural circuits involved substance preference and consumption. This research can serve as a foundation for exploring dietary and lifestyle interventions to maintain redox balance and metabolic health. For example, specific dietary supplements that enhance antioxidant defenses or support metabolic pathways, such as antioxidants, metabolic modulators, or NADPH boosters, could be investigated as adjunctive therapies for addiction. |
| Abstract (croatian) | Ovisnost je složen neuropsihijatrijski poremećaj karakteriziran kompulzivnim uzimanjem droge unatoč negativnim posljedicama. Neuroplastičnost, sposobnost mozga da se prilagodi i reorganizira kao odgovor na iskustva, ima temeljnu ulogu u razvoju ovisnosti. Taj proces uključuje kompleksne molekularne mehanizme, uključujući promjene u ekspresiji gena, modifikacije proteina i reorganizaciju sinapsi. Promjene u redoks homeostazi, posebice promjene u regulaciji signalizacije putem reaktivnih kisikovih vrsta (ROS), povezane su s neuroplastičnim promjenama i ovisnošću. Drosophila melanogaster, s obzirom na njen dobro karakteriziran genom te lako dostupne sofisticirane genetske alate, pokazala se kao vrijedan modelni organizam za proučavanje ponašanja sličnih ovisnosti, poput samoadministracije droge (SA) i lokomotorne senzitizacije (LS), koja se lako mogu kvantificirati kod vinskih mušica. Glavni cilj ovog istraživanja je identificirati nove gene i proteine uključene u ovisnost o metamfetaminu (METH) koristeći Drosophilu kao model i pristup koji integrira bihevioralne testove, genetske manipulacije (selektivni uzgoj i genetski probir) te proteomske analize.
Razvili smo FlyCafe test za mjerenje konzumacije METH-a i pokazali da mušice preferencijalno samoadministriraju METH. Kroz 30 generacija selektivnog uzgoja, uspostavili smo sojeve mušica s visokom (HP) i niskom (LP) preferencijom za METH, otkrivajući različit fenotipski profil LP mušica, uključujući povećanu aktivnost i tjelesnu težinu, reducirano spavanje i negativnu geotaksiju te povećane razine dopamina, tiramina i glutamata. Proteomska analiza ovih sojeva identificirala je diferencijalne proteine povezane s metaboličkim procesima, strukturnim integritetom te sintezom i degradacijom proteina, uključujući Bacchus, negativni regulator pretvorbe tiramina u oktopamin, koji je jedinstveno prisutan kod LP mušica. Zatim smo pokazali da mušice koje pokazuju LS imaju smanjenu preferenciju za METH SA, i obratno, sugerirajući zajedničke molekularne mehanizme koji uklljučuju period gen. Proveli smo genetski probir kako bismo identificirali redoks-gene koji reguliraju LS na volatilizirani METH, otkrivajući nekoliko ključnih gena kao što su Cat, Sod1, Sod2, Gapdh1 i Men, koji imaju funkcionalne uloge u regulaciji LS-a. Sod1, Gapdh1 i Men geni nužni su u dopaminskim i serotoninskim neuronima za oba fenotipa, LS i SA. Proteomska analiza moždanih tkiva mušica koje su razvile LS nakon dvije administracije volatiliziranog METH-a identificirala je set proteina jedinstvenih za LS fenotip, naglašavajući značajne promjene u redoks-proteinima. To uključuje povećanu ekspresiju nekoliko antioksidativnih i glikolitičkih enzima te enzima ciklusa trikarboksilnih kiselina (Cat, Prx3, Prx6c, Jafrac1, Gapdh1, Gapdh2, mAcon1, Mdh1, Mdh2) i smanjenje enzima povezanih s oksidativnom fosforilacijom (NADH dehidrogenaze).
Kombinirajući ove rezultate, naše istraživanje pokazalo je da su LS i SA METH-a modulirani međusobno povezanim putevima koji uključuju regulaciju peroksida, metabolizam glukoze, proizvodnju NADPH-a i neurotransmiterske sustave. Zajedno, ovi procesi doprinose razvoju i održavanju neuroplastičnosti povezane s ovisnošću, evidentne kao LS i SA. Dodatno, naši rezultati ističu važnost neurotransmitera tiramina u SA, ukazujući na to da povećane razine tiramina, pod utjecajem Bacchus proteina, mogu modulirati neuronske mreže uključene u preferenciju i konzumaciju droge. Ovo istraživanje može poslužiti kao osnova za istraživanje prehrambenih intervencija s ciljem održavanja redoks ravnoteže i metaboličkog zdravlja. Na primjer, specifični dodaci prehrani koji pojačavaju antioksidativnu obranu ili podržavaju metaboličke puteve, kao što su antioksidansi, metabolički modulatori ili NADPH pojačivači, mogli bi se koristiti kao dodatne terapije za ovisnost. |
