Impacto del polimorfismo Val66Met en el gen de BDNF en la vulnerabilidad a la adicción a cocaína inducida por estrés crónico

• Autores: Boezio, María Julieta
• Año de publicación: 2025
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Bollati, Flavia Andrea; Cancela, Liliana Marina; Guido, Mario Eduardo; Anastasia González, Agustín; Pacchioni, Alejandra María
• Materia: Farmacología; Neurobiología de la adicción; Cocaína; Genes; Sistema nervioso; Drogas ilícitas
• Institución: Universidad Nacional de Córdoba

Tesis (Doctora en Ciencias Químicas) - - Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas, 2025
Fil.: Boezio, María Julieta. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas; Argentina.
La vulnerabilidad a desarrollar conductas adictivas surge de la interacción dinámica entre factores genéticos y ambientales, junto con los efectos neuroadaptativos inducidos por la exposición repetida a drogas de abuso. Esta interacción influye en la progresión desde un consumo inicial controlado, hacia un uso compulsivo y persistente, y contribuye tanto a la transición del uso al abuso como a la propensión a recaídas, incluso tras períodos prolongados de abstinencia (Kreek et al., 2004, 2005). Diversos estudios epidemiológicos han documentado una alta comorbilidad entre la exposición a eventos vitales estresantes y trastornos de estrés postraumático con los trastornos inducidos por el consumo de drogas de abuso (Boden et al., 2012; Clark et al., 2001; Ouimette et al., 1998; Sinha, 2001). Actualmente el estrés es reconocido como un modulador clave a lo largo del ciclo de la adicción, ya que facilita el inicio, el mantenimiento y la recaída en el consumo de drogas. Este efecto se atribuye, en gran medida, a la convergencia del estrés sobre circuitos mesocorticolímbicos que regulan la motivación, el refuerzo y el aprendizaje asociativo (Boyson et al., 2011, 2014; Miczek et al., 2008; Rougé‐Pont et al., 1998). En modelos preclínicos, la exposición a estrés previo incrementa la capacidad de los psicoestimulantes para potenciar la liberación de dopamina en núcleo accumbens (NAc) (Kalivas & Stewart, 1991a; Pierce & Kalivas, 1997), intensificando sus propiedades estimulantes motoras y reforzantes, fenómeno conocido como sensibilización cruzada (Marinelli & Piazza, 2002; Pacchioni et al., 2007; Sorg & Kalivas, 1991). Investigaciones previas de nuestro laboratorio han demostrado que la interacción entre estrés y cocaína induce adaptaciones duraderas en las sinapsis glutamatérgicas en el NAc, que favorecen tanto la expresión de la sensibilización conductual como la adquisición de la conducta de autoadministración (AA) de cocaína (Avalos, et al., 2022; Esparza et al., 2012; Garcia-Keller et al., 2013, 2016; Mongi-Bragato et al., 2025; Rigoni et al., 2021). El factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF), se expresa ampliamente en todo el cerebro y juega un papel esencial en la plasticidad sináptica, la neurogénesis y el aprendizaje asociativo. Su expresión y liberación están reguladas por la actividad neuronal (Egan et al., 2003; Goodman et al., 1996). Se ha demostrado que las manipulaciones experimentales de los niveles de BDNF en el cerebro modulan distintos aspectos de la conducta adictiva, incluyendo la sensibilización locomotora (Pierce & Bari, 2001), la preferencia condicionada por el lugar Se han propuesto dos mecanismos mediante los cuales este polimorfismo podría ejercer sus efectos: (1) una pérdida funcional del mBDNF (dominio maduro del BDNF), debido a una reducción en su secreción; y (2) una ganancia funcional del pBDNF (prodominio del BDNF), que contiene el SNP y es producido en relación estequiométrica con el mBDNF, producto del clivaje de la proteína precursora de BDNF (proBDNF). En esta tesis, nos centramos en la segunda hipótesis, considerando que el pBDNF ha sido recientemente reconocido como un ligando funcional activo con capacidad para inducir plasticidad sináptica y remodelación estructural a través de la activación de receptores p75NTR y SorCS2 (Anastasia et al., 2013; Giza et al., 2018; Guo et al., 2016; Mizui et al., 2015). Utilizando una herramienta molecular basada en el uso de lentivirus que permite la expresión dirigida de las variantes polimórficas Val (Val-pBDNF) o Met (Met-pBDNF), investigamos su impacto en un modelo de sensibilización cruzada entre estrés crónico y exposición a cocaína. Los animales fueron sometidos a un protocolo de restricción de movimiento (2 h/día por 7 días), una semana después recibieron por microinyección estereotáxica una de las variantes del pBDNF en NAc. Una semana más tarde, se evaluaron: 1) la expresión de la sensibilización locomotora inducida por cocaína (15 mg/kg, i.p.); 2) los niveles de GLT-1 (transportador glial de glutamato) y GluR1 (subunidad del receptor AMPA) mediante Western blot; 3) la morfología de espinas dendríticas en neuronas del NAc core; 4) la adquisición de la conducta de autoadministración de cocaína. Nuestros resultados indican que el estrés crónico induce sensibilización locomotora a cocaína tanto en animales que expresan la variante Val del prodominio como en aquellos que expresan la variante Met; sin embargo, la respuesta es significativamente más pronunciada en los animales portadores de la variante Met. Estudios previos han mostrado que esta combinación también se asocia con una disminución en la expresión de GLT-1, lo que indicaría una disfunción en el sistema de recaptación glial de glutamato y una posible acumulación de este neurotransmisor en el espacio extracelular (Avalos, et al., 2022a; Avalos, et al., 2022b; Kalivas, 2009; Knackstedt et al., 2010). A su vez, observamos un aumento en la expresión del receptor glutamatérgico de tipo AMPA, que contiene la subunidad GluR1, posiblemente reflejando un estado de potenciación sináptica sostenida. Los análisis morfológicos revelaron un aumento en el tamaño de las espinas dendríticas en el NAc core en animales Met expuestos a estrés, lo que sugiere una reorganización estructural compatible con un estado de mayor excitabilidad sináptica (Rigoni et al., 2021). Finalmente, estos animales mostraron una facilitación temprana y sostenida en la adquisición de la conducta de autoadministración, indicando una mayor susceptibilidad a los efectos reforzantes de la cocaína. En conjunto, nuestros hallazgos demuestran que la variante Met del prodominio de BDNF actúa como un modulador activo de la plasticidad sináptica en el contexto de estrés, facilitando adaptaciones moleculares, estructurales y conductuales que favorecen la vulnerabilidad a la adicción. Este trabajo proporciona una evidencia funcional directa de que el Met-pBDNF es una forma activa y funcional que se comporta como un ligando neurobiológicamente relevante, capaz de inducir una cascada molecular que culmina en la remodelación de espinas dendríticas, el aumento de receptores AMPA y la disminución del transportador de glutamato, GLT1, reconocido mecanismo de recaptación de glutamato en los astrocitos. Estos resultados abren nuevas perspectivas sobre cómo las variantes genéticas, en particular el prodominio Met de BDNF, pueden interactuar con experiencias de vida estresantes para influir directamente sobre mecanismos celulares y moleculares clave (como la plasticidad sináptica, la señalización glutamatérgica y la morfología neuronal), promoviendo el incremento de la vulnerabilidad a la adicción.
Vulnerability to addictive behaviors arises from the dynamic interaction between genetic and environmental factors, and the neuroadaptive effects induced by repeated drug exposure. This interaction influences the progression from controlled drug intake to loss of control, contributing to the transition from use to abuse and to the propensity for relapse, even after prolonged periods of abstinence (Kreek et al., 2004, 2005). Epidemiological studies have documented a high comorbidity between exposure to stressful life events, and post-traumatic stress disorder (PTSD) and substance use disorders (Boden et al., 2012; Clark et al., 2001; Ouimette et al., 1998; Sinha, 2001). Stress is currently recognized as a key modulator throughout the addiction cycle, as it facilitates the initiation, maintenance, and relapse of drug use. This effect is largely attributed to stress signals converging on mesocorticolimbic circuits that regulate motivation, reinforcement, and associative learning (Boyson et al., 2011, 2014; Miczek et al., 2008; Rougé-Pont et al., 1998). In preclinical models, prior stress exposure increases the ability of psychostimulants to enhance dopamine (DA) release in the nucleus accumbens (NAc) (Kalivas & Stewart, 1991a; Pierce & Kalivas, 1997), thereby intensifying their motor stimulant and reinforcing properties, a phenomenon known as cross-sensitization (Marinelli & Piazza, 2002; Pacchioni et al., 2007; Sorg & Kalivas, 1991). Previous research from our laboratory has shown that the interaction between stress and cocaine leads to long-lasting changes in glutamatergic synapses in the NAc. These changes promote behavioral sensitization and the facilitation of cocaine self-administration (SA) behavior (Avalos et al., 2022; Esparza et al., 2012; García-Keller et al., 2013, 2016; Mongi-Bragato et al., 2025; Rigoni et al., 2021). Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) is widely expressed throughout the brain. It plays essential roles in synaptic plasticity, neurogenesis, and associative learning. Its expression and release are regulated by neuronal activity (Egan et al., 2003; Goodman et al., 1996). Experimental manipulation of BDNF levels has been shown to affect several aspects of addictive behavior, including locomotor sensitization (Pierce & Bari, 2001), cocaine-induced conditioned place preference (Hall et al., 2003; Hoger et al., 1999), and cocaine self-administration (Lu et al., 2004). Furthermore, BDNF has been proposed to mediate stress-induced alterations in the prefrontal cortex and the hippocampus, which are critical regions involved in emotional and executive regulation (Duman & Monteggia, 2006a; Magariños et al., 2011). Several single nucleotide polymorphisms (SNPs) that modulate susceptibility to substance abuse have been identified (Enoch et al., 2010; Saccone et al., 2009; Yuferov et al., 2010). One of the most studied is the Val66Met polymorphism in the BDNF gene, which results in a valine-to-methionine substitution in the protein’s prodomain. Some studies suggest that the Met allele may confer resistance to addiction (Cheng et al., 2005) and protect against relapse after alcohol treatment (Wojnar et al., 2009a). However, other studies have associated this variant with an increased risk of nicotine dependence and an earlier onset of alcohol dependence (Colzato et al., 2011; Lang et al., 2007). These findings suggest that the role of this polymorphism is complex and context-dependent. In the context of cocaine addiction, brain-derived neurotrophic factor (BDNF) has been implicated in several stages of the addictive process in preclinical models, including conditioned reinforcement (Horger et al., 1999; Lobo et al., 2010), craving (Grimm et al., 2003), drug-induced reinforcement (Sadri-Vakili et al., 2010), and reinstatement of drug-seeking behavior (Berglind et al., 2007). Additionally, genetic variants in the BDNF gene have been associated with addiction vulnerability in humans (Krebs et al., 2000; Uhl et al., 2001; Tsai, 2007). Briand et al. (2012) reported that, although no differences were observed in the acquisition or maintenance of cocaine self-administration between Val/Val and Val/Met knock-in mice, the Val/Met group exhibited faster extinction of drug-seeking behavior. These findings suggest that the Val66Met polymorphism may selectively influence drug-associated learning processes. Taken together, the evidence highlights the dynamic and context-dependent functional effects of the Val66Met variant in cocaine addiction, supporting its role as a complex modulator that may increase vulnerability in response to stress or adverse environmental stimuli. Two main mechanisms have been proposed to explain how this polymorphism may exert its effects: (1) functional loss of mature BDNF (mBDNF) due to reduced secretion and (2) functional gain of prodomain BDNF (pBDNF), which contains the SNP and is produced at a stoichiometric ratio with mBDNF as a cleavage product of the BDNF precursor. This thesis focuses on the second hypothesis, considering recent evidence indicating that pBDNF is an active, functional ligand capable of inducing synaptic plasticity and structural remodeling by activating p75NTR and SorCS2 receptors (Anastasia et al., 2013; Giza et al., 2018; Guo et al., 2016; Mizui et al., 2015). This study examines the role of Val-pBDNF and Met-pBDNF variants in mediating the effects of chronic stress on vulnerability to cocaine addiction. A molecular strategy based on lentiviral vectors was used to selectively express the Val or Met polymorphic forms of pBDNF. The animals underwent a restraint stress protocol (two hours per day for seven days) and, one week later, received a stereotaxic microinjection of either the Val-pBDNF or the Met-pBDNF variant into the nucleus accumbens (NAc). One week after the microinjection, we evaluated the expression of cocaine-induced locomotor sensitization (15 mg/kg, i.p.), GLT-1 and GluR1 levels by Western blot, dendritic spine morphology in NAc core neurons, and the acquisition of cocaine self-administration behavior. Our results indicate that chronic stress induces cocaine locomotor sensitization in animals expressing either Val-pBDNF or Met-pBDNF; however, the response is significantly stronger in Met carriers. Our previous studies have shown that cocaine-related behaviors following stress exposure are associated with disrupted glutamate homeostasis, evidenced by a sustained imbalance in glutamate efflux after cocaine administration and elevated basal extracellular glutamate levels, due to GLT-1 downregulation in the NAcore (Avalos et al., 2022a, 2022b; Kalivas, 2009; Knackstedt et al., 2010). We also observed increased AMPA receptor surface expression enhancement, which may reflect a state of sustained synaptic potentiation. Morphological analyses revealed an increase in dendritic spine size in the nucleus accumbens (NAc) core of Met-stressed animals, suggesting structural remodeling consistent with enhanced synaptic excitability (Rigoni et al., 2021). These animals also exhibited earlier and more sustained facilitation in the acquisition of cocaine self-administration, indicating heightened sensitivity to the drug’s reinforcing effects. In summary, our findings show that the Met variant of the pBDNF acts as an active modulator of synaptic plasticity in the context of stress. It facilitates molecular, structural, and behavioral adaptations that promote addiction vulnerability. Our study provides direct functional evidence that Met-pBDNF is an active, biologically relevant ligand capable of inducing a molecular cascade that results in dendritic spine remodeling, increased AMPA receptor expression, and decreased GLT-1 levels, a recognized mechanism of astrocytic glutamate reuptake. Our results shed new light on how genetic variants, particularly the Met-pBDNF, may interact with stressful life experiences to influence critical cellular and molecular processes, including synaptic plasticity, glutamatergic signaling, and neuronal morphology, thereby promoting increased vulnerability to addiction.
2027-08-30
Fil.: Boezio, María Julieta. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas; Argentina.