Chronic nicotine treatment induces rat CYP2D in the brain but not in the liver: an investigation of induction and time course

Chronic nicotine treatment induces rat CYP2D in the brain but not in the liver: an investigation of induction and time course

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J Psychiatry Neurosci 2008;33(1):54-63

Jiang Yue, PhD; Sharon Miksys, PhD; Ewa Hoffmann, MSc; Rachel F. Tyndale, PhD

The Centre for Addiction and Mental Health and the Department of Pharmacology, University of Toronto, Toronto, Ont.

Abstract

Objectives: CYP2D6 levels are higher in many brain regions of human smokers in comparison with nonsmokers. We have shown that CYP2D is expressed in rat brain regions and that enzyme activities correlate with protein and messenger ribonucleic acid (mRNA) levels. The aims of this study were to investigate whether nicotine can induce rat brain CYP2D, to determine the recovery time course of the induction and to investigate the mechanism of induction through measuring mRNA levels over time.

Methods: Rats were either treated once with either saline or nicotine (1 mg base/kg, subcutaneous and sacrificed 8 hours after the treatment or treated daily for 7 days and sacrificed 0.5–24 hours after the last injection. The CYP2D protein and mRNA levels were assessed by immunoblotting, immunocytochemistry and slot blotting.

Results: There were no changes in brain CYP2D levels after a single nicotine injection. Following chronic nicotine treatment, levels were maximal at 8 hours and returned to control levels by 12 hours after nicotine treatment in all 3 regions assessed. At 8 hours after nicotine treatment, CYP2D levels were significantly (p < 0.05) higher than levels in saline-treated control animals in the cerebellum (1.4-fold), hippocampus (1.3-fold) and striatum (3.2-fold); they tended to be higher in the frontal cortex, brainstem and thalamus. Induction was specific to brain region and cell, for example, in some striatal neurons and in neurons in the cerebellar granular layer and white matter. At no time was there any increase in brain CYP2D mRNA levels. Hepatic CYP2D levels were unchanged at all times tested. Conclusion: Chronic nicotine treatment induced CYP2D enzymes in rat brain but not rat liver. The induction was maximal 8 hours after the last injection and did not involve alterations in mRNA, indicating a posttranscriptional mechanism. These findings suggest that, in humans exposed to nicotine, response to centrally acting drugs metabolized by CYP2D, susceptibility to neurotoxins either activated or inactivated by CYP2D and the general homeostasis of endogenous neurochemicals metabolized by CYP2D may be affected, owing to increased CYP2D in the brain.

Résumé

Objectifs : Les concentrations de CYP2D6 sont plus élevées dans beaucoup de régions du cerveau des fumeurs humains que chez les non-fumeurs. Nous avons démontré que la CYP2D est exprimée dans des régions du cerveau du rat et qu’il y a corrélation entre les activités enzymatiques et les concentrations de protéines et d’acide ribonucléique messager (ARNm). Cette étude visait à déterminer si la nicotine peut induire la CYP2D dans le cerveau de rat, à déterminer l’évolution du temps de rétablissement de l’induction et à étudier le mécanisme d’induction en mesurant les concentrations d’ARNm au fil du temps.

Méthodes : Les rats ont reçu un seul traitement constitué d’une solution physiologique ou de nicotine (1 mg référence/kg) par voie sous-cutanée et ont été sacrifiés 8 heures après le traitement ou reçu un traitement quotidien pendant 7 jours et ont été sacrifiés de 0,5 à 24 heures après la dernière injection. On a évalué les concentrations de protéine CYP2D et d’ARNm par les techniques immunoblot et «slot blot», ainsi que par immunocytochimie.

Résultats : Les concentrations de CYP2D dans le cerveau n’ont pas changé après une seule injection de nicotine. Après le traitement chronique à la nicotine, les concentrations ont atteint leur niveau maximal à 8 heures et sont revenues aux niveaux témoins 12 heures après le traitement à la nicotine dans les trois régions évaluées. Huit heures après le traitement à la nicotine, les concentrations de CYP2D étaient beaucoup plus élevées (p < 0,05) que chez les animaux témoins qui ont reçu une solution physiologique, dans le cervelet (facteur de 1,4), l'hippocampe (facteur de 1,3) et le corps strié (facteur de 3,2); elles avaient tendance à être plus élevées dans le cortex frontal, le tronc cérébral et le thalamus. L'induction était spécifique à la région du cerveau et à la cellule : p. ex., dans certains neurones du corps strié et dans des neurones de la couche granulaire du cervelet et de la matière blanche. Les concentrations d'ARNm et de CYP2D dans le cerveau n'ont jamais augmenté. La concentration de CYP2D dans le foie n'a pas changé pendant tous les tests. Conclusion : Le traitement chronique à la nicotine a induit les enzymes de la CYP2D dans le cerveau du rat, mais non dans le foie. L’induction a atteint son point maximal 8 heures après la dernière injection et n’a pas entraîné d’altération de l’ARNm, ce qui indique l’existence d’un mécanisme posttranscriptionnel. Ces constatations indiquent que, chez les êtres humains exposés à la nicotine, l’élévation de la concentration de CYP2D dans le cerveau peut avoir un effet sur la réponse à des drogues à action centrale métabolisée par la CYP2D, la susceptibilité aux neurotoxines activées ou inactivées par la CYP2D et l’homéostase générale de produits neurochimiques androgènes métabolisés par la CYP2D.


Medical subject headings: animals; cytochrome P450 enzyme system; nicotine; brain; central nervous system; metabolism; smoking; Parkinson disease.

Competing interests: None declared.

Submitted Mar. 9, 2007; Revised July 23, 2007; Accepted July 24, 2007

Correspondence to: Dr. Rachel F. Tyndale, 1 King’s College Circle, Rm. 4326, Department of Pharmacology, Toronto ON M5S 1A8; fax 416 978-6395; r.tyndale@utoronto.ca