La dépendance aux drogues désigne un état psychologique et/ou physique qui se manifeste par un besoin irrépressible et répété, jamais réellement assouvi, de consommation d’une drogue. Elle est caractérisée par un comportement compulsif de prise de la substance, malgré les lourdes conséquences que ce comportement entraîne sur un plan familial, social, professionnel, ce dont le sujet est conscient [1, 2]. Dans une perspective aussi bien psychologique que neurologique, la dépendance peut être considérée comme un trouble de la cognition [3]. En effet, les régions du cerveau et les processus sous-jacents à la dépendance sont aussi ceux qui sont impliqués dans les fonctions cognitives essentielles. Les patients toxicomanes présentent des altérations dans des régions incluant le striatum, le cortex préfrontal, l’amygdale et l’hippocampe, des structures clés dans la gestion des processus émotionnels et motivationnels, ainsi que dans la mémoire déclarative, qui définit précisément l’individu et maintient le concept du soi [4].

Bien qu’un grand nombre d’individus consomment régulièrement des drogues, seule une minorité de consommateurs réguliers passent dans une phase de consommation compulsive. Le passage dans cette phase est largement influencé par des facteurs de susceptibilité génétique, et par le contexte social et psychologique de l’individu. Alors que le risque d’ordre génétique de développement d’une addiction est estimé à environ 50 %, les gènes responsables ne sont pas bien connus [5, 53] (→).

(→) Voir la Synthèse de N. Ramoz et P. Gorwood, page 432 de ce numéro

Une part importante de la recherche se concentre donc sur la composante environnementale.

L’hypothèse privilégiée dans ce domaine veut que la transition vers un état de dépendance résulte de processus adaptatifs qui se mettent en place dans certaines structures cérébrales en réponse à des prises répétées de la substance [6]. Les mécanismes d’adaptation ont souvent été décrits comme des réponses compensatrices servant à faire revenir le système à son état basal. Ce mécanisme, défini comme une rétroaction négative, peut expliquer l’apparition du phénomène de tolérance (correspondant au fait que des doses croissantes sont nécessaires pour maintenir des effets comparables), voire de certains symptômes apparaissant lors du sevrage. D’autres mécanismes d’adaptation semblent produire une rétroaction positive, qui pourrait rendre compte du phénomène de sensibilisation comportementale (voir Encadré page suivante). On peut aussi envisager des changements qualitatifs, qui altéreraient la réponse à des stimulus autres que le seul stimulus initiateur. Parmi les bouleversements se produisant dans le cerveau lors de prises répétées de drogue figurent à l’évidence des mécanismes de plasticité neuronale [6], qui concernent la modification de l’efficacité synaptique, mais aussi des changements de la morphologie des épines dendritiques, par exemple. D’un autre côté, vu les très nombreux mécanismes de plasticité sollicités en permanence durant le fonctionnement normal du cerveau, on peut se demander si la dépendance, qui implique une fixité du comportement, ne résulte pas plutôt d’un déficit de plasticité, voire d’une plasticité qui deviendrait figée en réponse aux drogues, au sein de structures cérébrales précises.

Décrire les interactions entre les gènes et l’environnement qui aboutissent à des modifications du phénotype est précisément l’objet de l’épigénétique. Le terme épigénétique a été utilisé en 1957 par C. Waddington pour décrire le « paysage » dans lequel des génotypes identiques généraient de grandes variations phénotypiques lors du développement [7, 54]. Ce concept a depuis largement évolué. Aujourd’hui, on considère les mécanismes épigénétiques comme des processus qui contrôlent l’expression des gènes en remodelant la structure de la chromatine, c’est-à-dire en modifiant la manière dont l’ADN est empaqueté dans le noyau [8]. À l’origine, les mécanismes épigénétiques étaient considérés comme des éléments de transmission héréditaire, et étudiés dans les champs du développement et de la cancérologie [8]. Il apparaît que ces mécanismes s’exercent aussi dans les neurones, mais comme ces derniers ne se divisent pas, en général, les modifications durables de la chromatine sont confinées dans des cellules individuelles. Il conviendrait sans doute de désigner les mécanismes se déroulant dans les neurones comme « neuroépigénétiques », en accord avec J.J. Day et J.D. Sweatt [9]. Cela permettrait de les distinguer des marqueurs impliqués dans le développement et la division cellulaire, et rendrait compte de certaines adaptations qui n’ont pas lieu dans d’autres types cellulaires. Puisque les modifications épigénétiques se placent en aval de l’activité synaptique, elles ont la capacité d’intégrer un ensemble de signaux et de moduler la réponse à long terme d’un neurone en contrôlant l’expression des gènes, donc le degré de plasticité. Par ce contrôle, elles seraient en mesure d’imposer au neurone une réponse contrainte, qui établirait une plasticité plus ou moins dynamique, ou abolirait une plasticité antérieure, en accord avec la notion de plasticité figée énoncée ci-dessus. Les modifications neuroépigénétiques représenteraient, par ailleurs, d’excellents candidats pour expliquer des régulations qui se produisent sur des temps très longs, voire sur la vie entière. Or, une des questions essentielles dans le domaine des addictions est justement de comprendre pourquoi des comportements de rechute surviennent après des mois, voire des années d’abstinence.

Dans les cellules eucaryotes, l’essentiel de l’ADN est empaqueté dans la chromatine. L’unité fondamentale de la chromatine est le nucléosome, composé de quatre homodimères des histones H2A, H2B, H3 et H4, et d’approximativement deux tours de super-hélice d’ADN, soit 147 paires de bases. La conformation de la chromatine varie entre des états permettant une transcription plus ou moins active. La Figure 1 présente divers processus régulant le degré de compaction de la chromatine. Un des facteurs, qualifié de variant d’histone, concerne la nature même des isoformes d’histones présentes dans les nucléosomes [10]. D’autres facteurs utilisent l’énergie de l’ATP pour générer divers degrés de compaction de la chromatine. Au sein de la vaste famille des ARN interférents, les microARN ou (miARN) sont les mieux caractérisés de ceux qui interviennent dans les processus épigénétiques. Ce sont des ARN non codants comprenant approximativement 22 nucléotides, qui régulent l’expression génique en se liant à des séquences complémentaires de certains ARN messagers. Mais ils interviennent aussi dans le noyau pour réguler la transcription, en interagissant avec des enzymes responsables du remodelage chromatinien [11].

Figure 1. Divers processus régulent le remodelage de la chromatine entre un état ouvert et un état plus ou moins compact. La chromatine se présente, soit dans un état ouvert qui permet la transcription, soit dans un état plus condensé qui est transcriptionnellement moins actif. De nombreuses études suggèrent que la méthylation de l’ADN et les modifications post-traductionnelles des histones sont capables d’agir sur la compaction de la chromatine en réponse à diverses drogues. Les modifications des histones concernent essentiellement l’acétylation, la méthylation ou encore la phosphorylation, et ont lieu à leur extrémité amino-terminale. NuRD : nucleosome remodeling deacetylase ; Swi/SNF : switch/sucrose nonfermentable.

Figure 1. Divers processus régulent le remodelage de la chromatine entre un état ouvert et un état plus ou moins compact. La chromatine se présente, soit dans un état ouvert qui permet la transcription, soit dans un état plus condensé qui est transcriptionnellement moins actif. De nombreuses études suggèrent que la méthylation de l’ADN et les modifications post-traductionnelles des histones sont capables d’agir sur la compaction de la chromatine en réponse à diverses drogues. Les modifications des histones concernent essentiellement l’acétylation, la méthylation ou encore la phosphorylation, et ont lieu à leur extrémité amino-terminale. NuRD : nucleosome remodeling deacetylase ; Swi/SNF : switch/sucrose nonfermentable.

Dans cette revue sont présentés les mécanismes de remodelage de la chromatine en réponse à la méthylation de l’ADN et, plus particulièrement, le rôle de la protéine de liaison à l’ADN méthylé, MeCP2 (methyl-CpG-binding protein 2). La régulation, par les drogues, de certaines modifications post-traductionnelles des histones, dont l’acétylation, est également discutée.

La méthylation de l’ADN concerne la position 5 de la cytosine. Chez les mammifères, cette méthylation a lieu majoritairement sur la séquence CpG, même si d’autres dinucléotides, appelés CpH (H = A/C/T), sont également susceptibles d’être méthylés. Une étude globale indique même que la méthylation mCpH serait prépondérante dans les neurones matures du cortex frontal [12]. La 5-méthylcytosine (5mC) constitue à peu près 1 % des bases totales du génome humain [13]. Les séquences CpG sont concentrées dans des régions appelées îlots CpG que l’on retrouve, dans plus de 50 % des cas, dans les régions promotrices des gènes. Contrairement à une idée répandue, ces îlots sont beaucoup moins méthylés que les dinucléotides CpG situés en dehors des îlots [14]. La méthylation est catalysée par des enzymes nommées DNA méthyltransférases (DNMT) qui sont responsables, soit de la maintenance de la méthylation pendant la réplication (DNMT1), soit d’une méthylation de novo (DNMT3A et B). La méthylation d’un gène est généralement suivie par sa répression, consécutive au recrutement d’un complexe répresseur qui peut, soit empêcher la liaison de la machinerie transcriptionnelle à l’ADN, soit entraîner la chromatine vers un état fermé. Notons que l’administration répétée de cocaïne régule l’expression de la DNMT3A dans le striatum de rongeurs [15–17]. À l’opposé, la réduction de l’activité de la DNMT3A, soit par inhibition pharmacologique, soit par invalidation du gène correspondant, a pour effet d’accroître les réponses comportementales à la cocaïne [15].

Les recherches concernant les mécanismes de déméthylation de l’ADN ont fait l’objet d’âpres débats. Pourtant, un consensus émerge actuellement qui fait intervenir d’abord l’oxydation de la 5mC, catalysée par des méthylcytosine dioxygénases de la famille TET (ten-eleven translocation) [55] (→) puis des mécanismes de réparation de l’ADN [18]. La découverte de ce processus de déméthylation implique l’existence d’une base supplémentaire dans l’ADN, la 5-hydroxyméthylcytosine (5hmC), ce qui ajoute une nouvelle dimension au rôle de la méthylation dans l’épigénétique. Les 5mC et 5hmC jouent sans doute des rôles différents, dans la mesure où elles sont en partie localisées dans des régions distinctes du génome, et que l’activité transcriptionnelle est associée à un enrichissement en 5hmC intragénique [12].

(→) Voir la Synthèse de E. Mahfoudi et al., m/s n° 3, mars 2015, page 268

Le facteur MeCP2

L’information portée par la méthylation de l’ADN est relayée, entre autres, par des protéines possédant un domaine MBD (methylated DNA-binding domain). MeCP2 est à ce jour la protéine la mieux caractérisée pour se lier aux 5mC (ainsi qu’aux 5hmC et aux mCpH) [19]. La Figure 2 présente la structure et les principales caractéristiques des protéines liant l’ADN méthylé par l’intermédiaire d’un domaine MBD. La découverte, faite en 1999 par le groupe de H. Zoghbi, de mutations du gène MeCP2, situé sur le chromosome X, associées à une pathologie neurodéveloppementale, le syndrome de Rett [20], a eu pour conséquence d’accroître l’intérêt de nombreux chercheurs pour la fonction de la protéine MeCP2. Ce syndrome, rencontré principalement chez les filles, est caractérisé par un développement normal jusqu’à l’âge de six à 18 mois, puis une période autistique s’installe progressivement, accompagnée par la perte de fonctions motrices et cognitives.

Figure 2. Structure et caractéristiques principales des protéines liant l’ADN méthylé par l’intermédiaire d’un domaine MBD. Les domaines représentés sont : CxxC : motif de liaison aux ions Zn2+ ; GR : motif comportant 11 répétitions de résidus glycine et arginine ; MBD : methylated DNA binding domain ; TRD : transcriptional repression domain. La protéine MBD3 n’est pas incluse, car bien que présentant une forte homologie de séquence avec cette famille, son domaine MBD n’est pas fonctionnel. On la retrouve dans le complexe NuRD. Il n’est pas fait état ici des protéines Kaiso, car elles ne possèdent pas de domaine MBD, mais lient l’ADN méthylé par l’intermédiaire d’un domaine dit « doigt de zinc ».

Figure 2. Structure et caractéristiques principales des protéines liant l’ADN méthylé par l’intermédiaire d’un domaine MBD. Les domaines représentés sont : CxxC : motif de liaison aux ions Zn2+ ; GR : motif comportant 11 répétitions de résidus glycine et arginine ; MBD : methylated DNA binding domain ; TRD : transcriptional repression domain. La protéine MBD3 n’est pas incluse, car bien que présentant une forte homologie de séquence avec cette famille, son domaine MBD n’est pas fonctionnel. On la retrouve dans le complexe NuRD. Il n’est pas fait état ici des protéines Kaiso, car elles ne possèdent pas de domaine MBD, mais lient l’ADN méthylé par l’intermédiaire d’un domaine dit « doigt de zinc ».

MeCP2 et drogues

En 2006, dans un article qui figure parmi les tout premiers à décrire l’implication de mécanismes épigénétiques dans le mode d’action des drogues, nous avons montré que des injections répétées de cocaïne à des rats augmentaient fortement l’expression de protéines liant l’ADN méthylé dans les aires de projection dopaminergique [31]. La Figure 3 illustre ce phénomène, en montrant l’induction de MeCP2 et de MBD1, ainsi que la diminution concomitante du niveau d’acétylation de l’histone H3. Des résultats analogues ont été obtenus lorsque les rats s’administraient eux-mêmes la drogue (Encadré 1) [32]. Ils ont été étendus, puisque la diminution de MeCP2 dans le striatum dorsal a pour conséquence de tempérer la prise de cocaïne par les rats, suggérant que MeCP2 est nécessaire pour relayer les effets de ce psychostimulant [33]. En revanche, la diminution de MeCP2 dans le noyau accumbens entraîne une préférence de place accrue pour l’amphétamine (Encadré 1) [34]. Clairement, des études supplémentaires sont nécessaires pour déterminer le rôle exact de la protéine dans le mode d’action des drogues.

Figure 3. Immunoréactivité des protéines MeCP2 et MBD1, ainsi que de la forme acétylée de l’histone H3, en réponse à la cocaïne. Les rats ont été traités pendant 10 jours à raison d’une injection de 20 mg/kg de cocaïne par jour. Ils ont été mis à mort 15 heures après la dernière injection, et des coupes coronales du cerveau ont été réalisées. Les protéines ont été révélées dans le striatum dorsal à l’aide d’anticorps primaires polyclonaux dirigés contre MeCP2, MBD1 ou contre les formes acétylées des résidus lysine-9 et -14 de l’histone H3 (Ac-H3 K9/14). On distingue les noyaux marqués, suite à la révélation de l’activité peroxydase. Le nombre de noyaux immunoréactifs pour les protéines de liaison à l’ADN méthylé est augmenté d’un facteur d’environ 2,7 chez les animaux traités, alors que les noyaux exprimant les formes acétylées de l’histone H3 sont diminués d’un facteur 2,3 (d’après Cassel et al. [31]).

Figure 3. Immunoréactivité des protéines MeCP2 et MBD1, ainsi que de la forme acétylée de l’histone H3, en réponse à la cocaïne. Les rats ont été traités pendant 10 jours à raison d’une injection de 20 mg/kg de cocaïne par jour. Ils ont été mis à mort 15 heures après la dernière injection, et des coupes coronales du cerveau ont été réalisées. Les protéines ont été révélées dans le striatum dorsal à l’aide d’anticorps primaires polyclonaux dirigés contre MeCP2, MBD1 ou contre les formes acétylées des résidus lysine-9 et -14 de l’histone H3 (Ac-H3 K9/14). On distingue les noyaux marqués, suite à la révélation de l’activité peroxydase. Le nombre de noyaux immunoréactifs pour les protéines de liaison à l’ADN méthylé est augmenté d’un facteur d’environ 2,7 chez les animaux traités, alors que les noyaux exprimant les formes acétylées de l’histone H3 sont diminués d’un facteur 2,3 (d’après Cassel et al. [31]).

Les extrémités amino-terminales des histones renferment un ensemble de résidus susceptibles d’être modifiés de manière covalente. Ces modifications concernent l’acétylation ou la méthylation [53] ; en général, l’acétylation de résidus lysine entraîne un état ouvert de la chromatine, donc une transcription activée. La situation est moins tranchée en ce qui concerne la méthylation de résidus lysine et arginine, même si celle-ci est souvent associée à un état fermé. D’autres modifications comprennent la phosphorylation, l’ubiquitination ou encore la sumoylation des histones. Un grand nombre d’enzymes sont nécessaires pour établir ces marques épigénétiques, puis pour les effacer, car nous sommes en présence de mécanismes hautement réversibles. Une complexité inouïe se dégage de l’ensemble de ces mécanismes. Puisque chaque modification est susceptible d’influencer les autres [35] et que cette régulation varie selon le gène considéré, il semble difficile d’invoquer un « code des histones », comme cela est parfois proposé [6, 10, 35]. Acétyler des histones revient à éliminer les charges positives des résidus lysine, donc à diminuer les interactions des histones avec l’ADN. Le processus est contrôlé, d’une part par les histones acétyltransférases (HAT) qui catalysent l’acétylation, et d’autre part par les histones déacétylases (HDAC) [54] qui hydrolysent les groupements acétyles. Les HAT sont regroupées en au moins quatre familles, d’après leur divergence de séquence du domaine HAT. On les retrouve dans de multiples complexes protéiques, ce qui leur permet sans doute de cibler un grand nombre de substrats. La composition des cinq classes d’HDAC décrites à ce jour est présentée dans la Figure 4 .

Figure 4. Les différentes classes de HDAC. On distingue quatre classes d’histones désacétylases (HDAC) suivant la nature de leurs cofacteurs (soit l’ion Zn2+, soit le nicotinamide adénine dinucléotide NAD+) et suivant leurs localisations subcellulaires. Les membres des classes I et IV sont retrouvés principalement dans le noyau, alors que ceux de la classe II sont présents dans le noyau et le cytoplasme. Leur migration entre les deux compartiments est assurée par des mécanismes de phosphorylation. Certaines sirtuines (Sirt) sont également localisées dans le noyau et le cytoplasme, alors que l’on retrouve Sirt3, 4 et 5 exclusivement dans les mitochondries.

Figure 4. Les différentes classes de HDAC. On distingue quatre classes d’histones désacétylases (HDAC) suivant la nature de leurs cofacteurs (soit l’ion Zn2+, soit le nicotinamide adénine dinucléotide NAD+) et suivant leurs localisations subcellulaires. Les membres des classes I et IV sont retrouvés principalement dans le noyau, alors que ceux de la classe II sont présents dans le noyau et le cytoplasme. Leur migration entre les deux compartiments est assurée par des mécanismes de phosphorylation. Certaines sirtuines (Sirt) sont également localisées dans le noyau et le cytoplasme, alors que l’on retrouve Sirt3, 4 et 5 exclusivement dans les mitochondries.

Effets comportementaux des inhibiteurs des HDAC

En utilisant des inhibiteurs pharmacologiques des HDAC, il est relativement aisé d’agir sur le niveau d’acétylation des histones. Les principaux inhibiteurs d’HDAC, ainsi que leurs sélectivités, sont présentés dans la Figure 5 . Chez les rongeurs, cette approche suggère que le développement des comportements liés à l’addiction était sans doute relié à des modifications épigénétiques, même si les résultats ne sont pas toujours concordants. C’est ainsi que des inhibiteurs non sélectifs des HDAC : (1) réduisent la consommation de cocaïne pendant la phase d’acquisition de l’autoadministration, ainsi que la motivation des rats à s’autoadministrer la drogue [42] ; (2) réduisent la consommation d’éthanol par des souris et la motivation des rats à s’administrer de l’éthanol [43] ; (3) facilitent l’extinction de la préférence de place induite par la cocaïne [44] ; (4) réduisent la préférence de place induite par la nicotine, mais pas l’aversion de place provoquée par des doses plus élevées [45] ; (5) inhibent la sensibilisation comportementale provoquée par l’éthanol [46] ; et (6) réduisent le comportement de recherche de cocaïne après une période de sevrage de trois semaines (rechute) [47]. D’autre part, un traitement similaire avec souvent les mêmes inhibiteurs a conduit à : (1) augmenter la consommation de cocaïne pendant la phase de maintenance de l’autoadministration [48] ; (2) accroître la sensibilisation comportementale et la préférence de place induites par la morphine [49] ; (3) potentialiser la sensibilisation comportementale et l’activité locomotrice induites par l’amphétamine [50] ; et (4) augmenter l’activation locomotrice produite par la cocaïne [36, 39]. Diverses explications ont été avancées pour tenter d’expliquer ces observations parfois contradictoires. Elles concernent : la durée du traitement ; les protocoles d’injection des drogues et des inhibiteurs d’HDAC susceptibles d’entraîner des adaptations différentielles, voire opposées ; la phase du conditionnement (acquisition versus maintenance) pendant laquelle le traitement est effectué ; et la nature de la drogue utilisée ainsi que le type de test comportemental employé. Il convient d’ajouter la stabilité de ces marqueurs épigénétiques. Même si le remodelage de la chromatine a été observé parfois en réponse à une simple stimulation neuronale, un traitement répété est souvent requis pour mettre en évidence ce remodelage et les changements comportementaux qui en découlent.

Figure 5. Les principaux inhibiteurs d’HDAC. Les inhibiteurs sont regroupés selon leur structure chimique en quatre familles représentées ici par un ou plusieurs membres. Leur sélectivité, souvent très large, est indiquée (d’après Anne et al. [52]).

Figure 5. Les principaux inhibiteurs d’HDAC. Les inhibiteurs sont regroupés selon leur structure chimique en quatre familles représentées ici par un ou plusieurs membres. Leur sélectivité, souvent très large, est indiquée (d’après Anne et al. [52]).

La persistance des marques épigénétiques est illustrée par des expériences de séparation mère-enfant chez le rat. Dans ce modèle, la séparation des nouveau-nés de la mère pendant trois heures par jour durant les 14 premiers jours de vie entraîne une augmentation importante de l’expression du complexe MeCP2/HDAC2, accompagnée d’une baisse de l’acétylation des histones [51]. Ces modifications subsistent jusqu’à l’âge adulte, âge auquel les animaux présentent une vulnérabilité accrue aux drogues. Il est probable que les régulations qui font intervenir le complexe MeCP2/HDAC2 jouent un rôle dans cette vulnérabilité, puisque la surconsommation de drogue, de même que l’acétylation de l’histone H4, sont abolies par un inhibiteur d’HDAC. Ces données suggèrent que des régulations épigénétiques, qui subsistent pendant une bonne partie de la vie, sous-tendraient la trace d’évènements traumatisants se produisant durant les tout premiers jours de vie.

Des progrès remarquables ont été réalisés ces dernières années dans la description des modifications de l’état de la chromatine en réponse aux drogues. L’acétylation de résidus lysine des histones a été particulièrement bien renseignée. Mais de nombreuses questions essentielles restent en suspens, auxquelles il faudra répondre si l’on veut comprendre l’impact et la persistance des marqueurs épigénétiques dans la mise en place de la dépendance aux drogues. Il s’agira de caractériser précisément les événements moléculaires qui régulent le remodelage de la chromatine et, par là même, les gènes différentiellement exprimés en réponse à un traitement chronique par les drogues. Ces analyses devront concerner les modifications se produisant sur l’ensemble du génome, dans les principaux types de cellules des structures clés du circuit de la récompense. Ces analyses sont aujourd’hui possibles du fait de l’introduction des techniques de ChIP-Seq ou de MeDIP-Seq, qui combinent l’immunoprécipitation de la chromatine ou de l’ADN méthylé au séquençage massif du génome. Ces approches globales nous renseigneront sur la nature des gènes incriminés, et nous indiqueront dans quelle mesure les mécanismes neurobiologiques responsables de la mise en place, puis de la persistance du comportement compulsif, sont sous le contrôle de régulations épigénétiques. Cette approche servira sans doute aussi à identifier de nouvelles cibles pharmacologiques pour contenir la recherche effrénée de drogue, ainsi que la rechute.

L’auteur déclare n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.

Je remercie le Dr K. Béfort et le Dr P. Anglard pour leur lecture critique du manuscrit.