FosB ist ein Protein, das im menschlichen Körper als Transkriptionsfaktor fungiert. FosB gehört zur Fos-Genfamilie, die gemeinsam mit anderen Proteinen den AP-1-Komplex bildet. Das Protein wird durch das gleichnamige FOSB-Gen codiert.
Mensch Nach dem aktuellen menschlichen Referenzgenom (GRCh38) befindet sich das Gen auf Chromosom 19. Der Genlocus auf dem Cytoband ist 19q13.32. Die genomischen Koordinaten sind 19: 45,467,996 – 45,475,179.
Maus Nach dem aktuellen Referenzgenom der Hausmaus (GRCm39) befindet sich das Gen auf Chromosom 7. Der Genlocus auf dem Cytoband ist 7 A2-B1. Die genomischen Koordinaten sind 7: 19,036,621 – 19,043,970.
Nomenklatur David P. Siderovski und sein Team stießen an der Queen’s University in Kingston (Ontario) im Jahr 1990 bei der Untersuchung von menschlichen Blutzellen auf eine spezifische mRNA-Sequenz, die nach einer Aktivierung der Zellen sehr schnell gebildet wurde. Das Gen wurde zunächst einfach als G0S3 (G0/G1 Switch Gene 3) bezeichnet.
Donald R. Forsdyke (an dessen Institut für Biochemie Siderovski damals promovierte) glich die Daten im Jahr 1992 mit neuen Datenbanken ab. Dabei stellte er fest, dass dieses „G0S3“-Gen eine extrem hohe Homologie zu einem Gen aufwies, das bei Mäusen bereits als Fosb bekannt war.
Unabhängig hiervon sequenzierte die Arbeitsgruppe von Antonia Martin-Gallardo am National Institute of Neurological Disorders and Stroke in Bethesda (Maryland) im Jahr 1992 das menschliche Genom in diesem Bereich und fand genau dieselbe Sequenz, die sie dann korrekt dem menschlichen FOSB-Gen zuordneten.
Entstehung Wenn Nervenzellen im Gehirn durch äußere Reize (wie Stress oder Belohnung) aktiviert werden, wird das FOSB-Gen abgelesen. Hierbei fährt RNA-Polymerase II im Zellkern das geöffnete FOSB-Gen auf der DNA ab und erstellt eine Prä-mRNA. Diese wird nach Spleißung über die Ribosomen in das FosB-Protein und dessen Varianten übersetzt.
Struktur FosB besteht aus insgesamt 338 Aminosäuren und ist ein Protein mit zentralem Leucin-Zipper und bZIP-Domäne, dem ein N-Terminus vorgeschaltet und ein C-Terminus nachgeschaltet ist: Der N-Terminus besteht aus 156 Aminosäuren auf der Transaktivierungsdomäne. An diesen schließt sich die basische Region als DNA-Bindungsdomäne mit 23 Aminosäuren an. Der Leucin-Zipper fungiert mit 39 Aminosäuren als Dimerisierungsdomäne. Die 120 Aminosäuren am C-Terminus enthalten Aktivierungsbereiche sowie Abbau-Signale (Degrons), die die Lebensdauer des Proteins regulieren.
N-Terminus
bZIP-Domäne
C-Terminus
Varianten und Stabilität mini|Grafischer Vergleich von FosB mit ΔFosB. ΔFosB fehlen gegenüber FosB 101 Aminosäuren am C-Terminus, die Degrons enthalten, welche den Abbau des Proteins signalisieren, woraus die Stabilität von ΔFosB resultiert.
Durch einen Prozess namens „Alternatives Spleißen“ entstehen aus derselben genetischen Vorlage unterschiedliche Varianten des Proteins: das normale FosB und das verkürzte ΔFosB. Hierbei werden der RNA die letzten 101 Aminosäuren am C-Terminus abgebrochen, so dass ΔFosB nur aus 237 Aminosäuren anstelle der 338 Aminosäuren von FosB besteht. Beide Varianten konkurrieren untereinander um eine Anbindung an die DNA. Dieser Prozess wurde im Jahr 1991 in einer Zusammenarbeit von Daniel Nathans und Yusaku Nakabeppu am Howard Hughes Medical Institute in Baltimore erstmalig beschrieben.
Der wesentliche Unterschied zwischen den Varianten liegt in ihrer Beständigkeit:
FosB (Volle Länge) Diese Form ist sehr instabil. Sie wird nach einem Reiz schnell produziert, zerfällt jedoch innerhalb weniger Stunden wieder. Sie dient der kurzfristigen Reaktion der Zelle.
ΔFosB (DeltaFosB) Dieser Variante fehlen durch das Spleißen der Aminosäurekette mehrere Degrons, die normalerweise für den schnellen Abbau sorgen (Ubiquitin-Proteasom-Weg und Proteasom-unabhängiger Weg). Dadurch ist ΔFosB außergewöhnlich stabil und kann über Wochen oder Monate im Gehirn verbleiben.
Δ2FosB Bei der Entstehung von Δ2FosB wandert das Ribosom beim Ablesen der mRNA über das erste reguläre Startcodon (Methionin) hinweg. Es nutzt stattdessen ein weiter hinten liegendes, internes Startcodon (ein alternatives Methionin-Codon). Hierdurch fehlen die ersten 71 Aminosäuren am Protein, weil das Ribosom erst weiter hinten mit der Übersetzung begonnen hat.
Δ2ΔFosB (doppelt gekürzt) Bei der Entstehung von Δ2ΔFosB fehlen sowohl die ersten 71 Aminosäuren am N-Terminus als auch die letzten 101 Aminosäuren am C-Terminus. Es ist damit doppelt gekürzt.
+ Die vier Proteinvarianten des FOSB-Gens Protein-Variante Alternativer Name N-Terminus (Anfang) C-Terminus (Ende) Aminosäuren (AA) Stabilität & Akkumulation Biologische Funktion FosB FosB-L (long) Vollständig Vollständig 338 AA Sehr instabil: Wird durch vorhandene Abbau-Signale (Degrons) extrem rasch von der Zelle wieder abgebaut. Klassischer Transkriptionsfaktor; bildet mit Jun-Proteinen den funktionellen AP-1-Komplex zur Regulation des Zellwachstums. ΔFosB FosB2 / FosB-S (short) Vollständig Gekürzt (fehlende 101 AA) 237 AA Extrem stabil: Fehlen der Degrons und zusätzliche Phosphorilierung führen zu einer Halbwertszeit von Wochen. Akkumuliert bei chronischen Reizen. Steuert die langfristige neuronale Plastizität im Belohnungszentrum bei Suchterkrankungen und chronischem Stress. Δ2FosB — Gekürzt (fehlende 71 AA) Vollständig 267 AA Sehr instabil: Besitzt das vollständige Ende inklusive der Abbau-Signale; wird schnell metabolisiert. Modulator im zellulären Stoffwechsel; agiert aufgrund der Strukturveränderung biologisch anders als die Hauptvarianten. Δ2ΔFosB — Gekürzt (fehlende 71 AA) Gekürzt (fehlende 101 AA) 166 AA Instabil: Trotz fehlender C-terminaler Degrons durch die starke Gesamtkürzung strukturell labil; geringe Halbwertszeit. Reguliert alternative Signalwege, z. B. das Knochenwachstum (Smad-Proteine).
Biologische Bedeutung Die FosB-Proteinfamilie spielt eine allgemeine Rolle bei der synaptischen Plastizität. Das bedeutet, sie hilft dem Gehirn dabei, sich an neue Erfahrungen anzupassen, Lernprozesse zu festigen und auf Umweltveränderungen zu reagieren.
Beispielsweise wies eine Arbeitsgruppe unter Leitung von Jennifer R. Brown in einem Experiment an der Harvard Medical School im Jahr 1996 nach, dass Mäuse, deren Fosb-Gen ausgeschaltet wurde, eine Verhaltensstörung entwickelten: Sie waren unfähig, ihren Nachwuchs zu versorgen. Durch den Befund wurde belegt, dass das Brutpflegeverhalten von Säugetieren genetisch kontrolliert wird und dass FosB eine Schlüsselrolle bei der Anpassung neuronaler Reaktionen spielt.
ΔFosB in der Suchtforschung mini|Das Belohnungssystem des menschlichen Gehirns im Sagittalschnitt. Dargestellt sind die Hauptpfade der Dopamin-Transmission: Der mesolimbische Pfad (grün) projiziert von der ventralen tegmentalen Area (VTA) zum Nucleus accumbens, dem zentralen Hub für die durch ΔFosB vermittelte molekulare Plastizität bei Suchterkrankungen. Der mesocorticale Pfad (orange) führt zum präfrontalen Cortex, während der nigrostriatale Pfad (rot) die Substantia nigra (SNc) mit dem dorsalen Striatum verbindet.
mini|Chronischer Substanzmissbrauch führt zu einer akkumulierenden Expression des Transkriptionsfaktors ΔFosB im striatalen Belohnungssystem. Das akkumulierte ΔFosB heterodimerisiert mit Proteinen der Jun-Familie und bildet so den funktionalen AP-1-Komplex. Dieser bindet an spezifische DNA-Sequenzen und moduliert die Genexpression. Die daraus resultierenden neurochemischen Kaskaden führen zu dauerhaften zellulären und synaptischen Veränderungen, welche sich phänotypisch als Verhaltensstörungen manifestieren.
mini|Das neurobiologische Abhängigkeitspotenzial einer Substanz korreliert direkt mit dem Ausmaß der ΔFosB-Akkumulation im Belohnungszentrum des Gehirns.
In der Neurobiologie ist vor allem ΔFosB von großer Bedeutung. Aufgrund seiner Langlebigkeit reichert es sich bei wiederholten Reizen (wie Drogenkonsum oder exzessivem Verhalten) im Belohnungszentrum des Gehirns (Nucleus accumbens) an. Es fungiert dort als molekularer Gedächtnisschalter: Ab einer gewissen Konzentration verändert es dauerhaft die Struktur von Nervenzellen und macht das Gehirn empfindlicher für Suchtreize, was heute als einer der zentralen Mechanismen für die Entstehung von chronischer Abhängigkeit und zwanghaftem Verhalten gilt.
mini|Das Diagramm veranschaulicht die kurzfristige Erzeugung von ΔFosB bei einmaligem Konsum von Suchtmitteln und die Akkumulation von ΔFosB bei regelmäßigem Konsum.
Dies wurde erstmals im Jahr 1999 in einem Experiment mit einem transgenen Mausmodell durch eine Forschungsgruppe an der Yale University unter Leitung von Eric J. Kelz nachgewiesen. Den Mäusen wurde hierbei ein ΔFosB produzierendes Gen eingesetzt, das über ein Tet-Off-System eingeschaltet werden konnte. Solange die Mäuse das Antibiotikum Doxycyclin über das Trinkwasser erhielten, war dieses Gen nicht aktiv. Nach Absetzen produzierten die transgenen Mäuse das Protein selbständig im Gehirn, wo es sich im Nucleus accumbens anreicherte. Somit konnte ΔFosB im Gehirn der Tiere hochgefahren werden, ohne dass die Tiere jemals zuvor unter Drogen gestanden wären. Gegenüber der Kontrollgruppe wiesen die transgenen Mäuse eine massive Platzpräferenz für eine Kokain-Kammer auf, in der geringste Mengen Kokain vorhanden waren. Nach Konsum von geringsten Kokainmengen, war eine deutliche Hyperaktivität unter den transgenen Mäusen zu beobachten. Nach Untersuchung des Gehirngewebes wurde festgestellt, dass ΔFosB die Produktion von GluR2 hochreguliert hatte. Dies veränderte die elektrische Verschaltung im Nucleus accumbens so nachhaltig, dass das Gehirn sensibler für die Dopamin- und Glutamatausschüttungen wurde.
Substanzgebundene Abhängigkeit Basierend auf der Erkenntnis, dass die chronische Akkumulation des Transkriptionsfaktors ΔFosB im Nucleus accumbens ab einem kritischen Schwellenwert die neuronale Sensitivierung gegenüber Suchtmitteln moderiert, wurden im Zeitraum zwischen 2001 und 2020 translationale Validierungen an diversen potenziell suchterzeugenden Substanzen durchgeführt. Diese Untersuchungen erfolgten primär im Rahmen von in-vivo-Nagetiermodellen. Die Validierung und Übertragbarkeit dieser präklinischen Daten auf den humanen Organismus wurde nachfolgend teilweise durch vergleichende Post-mortem-Analysen humaner Gewebeproben verifiziert:
Kokain mini|Grafische Darstellung der durch ΔFosB am Nucleus accumbens induzierten Signalkaskade. Im Jahr 2001 wies Dr. James A. Bibb an der Rockefeller University in New York City nach, dass ΔFosB durch die Gabe von Kokain im Gehirn akkumuliert wird und welche Gene es reguliert. Seine Arbeitsgruppe identifizierte das Gen für Cdk5 (Cyclin-dependent kinase 5) als direktes nachgeschaltetes Ziel von ΔFosB. Durch die Gabe von Cdk5-Inhibitoren an das Mausmodell potenzierten sich die Verhaltenseffekte von Kokain. Cdk5 fungiert demnach als zelluläre Bremse, im Zuge der Homöostase. Die erhöhte Cdk5-Aktivität führt zu einer Phosphorylierung von DARPP-32, woraus eine Dämpfung der D1-Dopamin-Signalwege resultiert. Bei chronischem Kokainkonsum führt diese dauerhafte „Bremswirkung“ dazu, dass das Gehirn im Normalzustand ohne Kokain unterstimuliert ist. Das System adaptiert sich an die Droge und bildet die beschriebene Toleranzentwicklung. Fällt die Droge weg, bleibt ein dysfunktionales, verändertes Gehirnergebnis zurück, was die Basis für den Suchtdruck und die Abhängigkeit darstellt.