Histon Acetylierung
Die Histon Acetylierung ist die am besten untersuchte der Chromatinmodifikationen, die mit Lernen und Gedächtnis in Verbindung gebracht wurden.62 Dies ist sinnvoll, da die Histonacetylierung mit einer aktiven Transkription verbunden ist,18 und die aktive Transkription einer Teilmenge von Genen sowohl für die Gedächtnisbildung als auch für langfristige Veränderungen der synaptischen Plastizität notwendig ist.63,64 Schmitt und Matthies65 zeigten als erste Veränderungen der Acetylierung im Gehirn nach dem Lernen. Mit radioaktiv markiertem Acetat zeigten sie, dass die Histonacetylierung nach Verhaltenstraining im Hippocampus hochreguliert, in anderen Gehirnregionen jedoch herunterreguliert wurde. Es dauerte etwas mehr als zwei Jahrzehnte, bis die Histonacetylierung einen weiteren Blick darauf warf, diesmal im klassischen wirbellosen Modell der Aplysia californica66, wo die langfristige Erleichterung der synaptischen Stärke als Reaktion auf die Verabreichung von 5-HT die Acetylierung von Histon H3 und Histon H4 erhöhte.
In den letzten zehn Jahren wurde die Histonacetylierung wiederholt mit dem Lernen und der Plastizität sowohl in wirbellosen als auch in Säugetiermodellsystemen in Verbindung gebracht, und es ist nun bekannt, dass sie ein wichtiger Mechanismus ist, der sowohl der Gedächtniskonsolidierung28,67-70 als auch der Langzeitpotenzierung (LTP) zugrunde liegt.69,70 Die Veränderungen der Histonacetylierung, die mit dem Lernen einhergehen, treten schnell auf und erreichen ihren Höhepunkt etwa 60 Minuten nach dem Training. Diese globalen Veränderungen der Histonacetylierung sind jedoch relativ vorübergehend und kehren 24 Stunden nach dem Training zu den Ausgangswerten zurück.69 Der zeitliche Verlauf dieser Veränderungen in der Histonacetylierung passt sehr gut zu ihrer vorgeschlagenen Rolle bei der Transkription gedächtnisbezogener Gene, die auf derselben Zeitskala wie die anfängliche Transkriptionswelle auftritt, die die Gedächtniskonsolidierung und LTP erleichtert.64,71-74
Was sind die spezifischen Histonacetylierungsmarken, die mit den Prozessen der Gedächtniskonsolidierung und Plastizität interagieren? Bei Aplysia ist eine langfristige Erleichterung mit der Acetylierung von Histon H3K14 und Histon H4K8 verbunden.66 Die Befunde in Nagetiermodellen sind vielfältiger. Zum Beispiel, Kontextuelle Angstkonditionierung erhöht Histon H3, aber nicht Histon H4, Acetylierung im Hippocampusbereich CA1, während latentes Hemmungstraining das gegenteilige Ergebnis hat.69. Die Konditionierung erhöht auch die Expression von Homer1-mRNA im Hippocampus, was mit einer erhöhten Histon-H3-Acetylierung am Homer1-Promotor einhergeht, ohne dass sich die Acetylierung von Histon-H4 ändert.75 Eine Studie über Altern und Gedächtnis ergab, dass bei jungen Mäusen die Angstkonditionierung die Acetylierung an H3 (K9 und K14) und H4 (K5, K8 und K12) erhöhte, während alte Mäuse Gedächtnisstörungen hatten und an H4K12 mangelhaft waren Acetylierung.76. Das Wasserlabyrinthtraining erhöht die Acetylierung von H3 (K9 und K14), H4 (K12) und H2B, aber die Acetylierung von H3 wurde auch in einer visuellen Plattformversion dieser Aufgabe gefunden, was darauf hindeutet, dass die H3-Acetylierung an einem passiveren räumlichen Lernen beteiligt sein könnte 77; Eine andere Studie ergab, dass das Wasserlabyrinthtraining die Acetylierung von H3K18 erhöht.78 Mäuse mit einer Deletion des Histondeacetylaseenzyms HDAC2 hatten ein verbessertes Gedächtnis und eine erhöhte synaptische Plastizität sowie eine erhöhte H4K5- und H4K12-Acetylierung.79 In Hippocampusschnitten erhöhte die Induktion von LTP durch Forskolinstimulation die Acetylierung von H3K14.80 Es ist klar, dass verschiedene Trainingsparadigmen gezeigt haben, dass spezifische Muster der Histonacetylierung mit spezifischen Formen des Gedächtnisses und der Plastizität assoziiert sind, aber die Acetylierung von Histon-H3- oder Histon-H4-Lysinresten sind die am häufigsten berichteten Modifikationen.
Acetylgruppen werden durch die Histon-Acetyltransferase (HAT)-Enzyme an Histon-Lysin-Reste addiert. CREB-bindendes Protein, CBP, ist ein transkriptioneller Coaktivator mit intrinsischer HAT-Aktivität. CBP bindet CREB, einen Transkriptionsfaktor, der ein bekannter Mediator der Transkription von Gedächtnisgenen ist.81,82 Viele Gruppen haben genetische Werkzeuge verwendet, um die Rolle von CBP im Gedächtnis zu untersuchen, und wir verstehen jetzt, dass sowohl die HAT-Aktivität68 als auch die CREB-bindende Aktivität83 von CBP für die Bildung des Langzeitgedächtnisses und die LTP in der Spätphase wichtig sind. HDAC-Hemmung kann Gedächtnisdefizite in einigen Stämmen von CBP-mutierten Mäusen retten,28,68 aber die Verbesserung des Gedächtnisses und der Plastizität durch HDAC-Hemmung erfordert CREB und die Interaktion von CBP mit CREB,70,84 Dies impliziert CREB-vermittelte Gene als Ziele der Regulation durch Histonmodifikation im Gedächtnis. Die eng verwandten Gene p300 und PCAF wurden ebenfalls in das Lernen und Gedächtnis einbezogen, obwohl ihre genauen Rollen und die Ziele ihrer Acetyltransferase-Aktivität sich von denen von CBP zu unterscheiden scheinen.85-88
Die Histon-Deacetylase (HDAC) -Enzyme sind für die Entfernung von Acetylgruppen aus Histonschwänzen verantwortlich und wirken im Gegensatz zu den Hüten. Derzeit gibt es 18 identifizierte HDAC-Enzyme, die nach Sequenz und Struktur in vier verschiedene Klassen unterteilt sind. Im ZNS von Säugetieren sind die Enzyme der Klasse I (HDAC1, HDAC2, HDAC3 und HDAC8) am aktivsten bei der Regulierung der Gedächtnisbildung, während andere an verschiedenen plastischen Prozessen wie Stress, Depression und Sucht beteiligt sind.89 Die unterstützenden Beweise sind sowohl pharmakologisch als auch genetisch bedingt. Eine Überexpression von HDAC2 führt zu einer Beeinträchtigung des Langzeitgedächtnisses und des Hippocampus-LTP, während das Ausschalten den umgekehrten Effekt hat. Die Überexpression von HDAC1 erzeugt keine Unterschiede im Lernen oder in der Plastizität, was darauf hindeutet, dass HDAC2, aber nicht HDAC1, für das Gedächtnis besonders wichtig ist.79 Bei Mäusen verstärkt die bedingte Deletion von HDAC3 im dorsalen Hippocampus das langfristige kontextuelle Angstgedächtnis,90 ein Effekt, der durch eine spezifische pharmakologische Hemmung von HDAC3 phenokopiert wird. Intrahippocampale Infusion des Klasse-I-spezifischen HDAC-Inhibitors MS-275 verbessert das Langzeitgedächtnis für die Objektlokalisierung; MS-275 hemmt bevorzugt HDAC1 und HDAC2 gegenüber HDAC3 und HDAC8, was die Bedeutung von HDAC2 im Speicher unterstützt.91 Die HDAC-Enzyme binden nicht direkt an DNA, sondern fungieren als Teile großer Repressorkomplexe mit mehreren Untereinheiten.92 HDAC1 und HDAC2 können als Teil der Repressorkomplexe Sin3a, NurD und Co-REST gefunden werden, während HDAC3 mit den Co-Repressoren N-CoR und SMRT gefunden wird. Zusätzlich interagiert der Sin3a-Co-Repressor-Komplex sowohl mit SMRT als auch mit N-CoR, so dass HDAC2 und HDAC3 zusammen oder getrennt an Promotoren gefunden werden können, was der Regulation der Histonmodifikation eine weitere Ebene der Komplexität und Spezifität hinzufügt.93 Es bleibt abzuwarten, wo und wann die verschiedenen Co-Repressor-Komplexe lokalisiert sind und was genau sie rekrutiert. Es wurde eine große Anzahl von transkriptionsregulierenden Faktoren identifiziert, die mit der repressiven Deacetylaseaktivität interagieren und diese rekrutieren könnten, was das Rätsel dieser vorgelagerten Regulatoren der Histonacetylierung noch interessanter und komplizierter macht.
Niedermolekulare Histon-Deacetylase-Inhibitoren sind heute weit verbreitet und wurden in vielen experimentellen Systemen verwendet. Diese Medikamente gehören zu einer Vielzahl von chemischen Familien und verfügen über verschiedene Grade der Spezifität, in denen HDAC Enzyme, die sie zielen.94 Die in Aplysia durchgeführten Experimente ergaben, dass die Behandlung mit Trichostatin-A (TSA) die langfristige Erleichterung verbesserte.66 Bei Nagetieren verstärken TSA und ein weiterer HDAC-Inhibitor, Natriumbutyrat (NaB), die LTP in ex-vivo-Hippocampus-Slices69,70 und die Gedächtnisbildung in vivo nach systemischer Verabreichung.69 Die Infusion von TSA direkt in den Hippocampus verbessert auch das kontextuelle Angstgedächtnis, nicht jedoch das Kurzzeitgedächtnis oder die hippocampusunabhängige Cued-Angst.70 Die gedächtnissteigernden Wirkungen von HDAC-Inhibitoren sind nicht auf das kontextuelle und räumliche Gedächtnis beschränkt, was uns sagt, dass die HDAC-Hemmung die Histonhyperacetylierung in plastischen Prozessen außerhalb des Hippocampus erleichtern kann. Zum Beispiel verbessert die Infusion eines HDAC-Inhibitors direkt in die laterale Amygdala das Gedächtnis für die Tonus-Fußschock-Assoziation der Cued-Angstkonditionierung, und LTP in der Amygdala wird auch durch HDAC-Hemmung verstärkt.95
Gedächtnisprozesse werden neben dem Erwerb und der Konsolidierung auch durch die Histonacetylierung beeinflusst. Die Rekonsolidierung, das Phänomen, dass ein konsolidiertes Gedächtnis beim Abrufen vorübergehend labil wird, beinhaltet viele der gleichen molekularen Mechanismen wie die anfängliche Konsolidierung, und das Aussterben, das die Schwächung einer zuvor erlernten Assoziation darstellt, teilt viele Verhaltens- und biochemische Mechanismen mit Gedächtniserwerb.96-100 Der frontale Kortex spielt eine wichtige Rolle bei Extinktionsprozessen, und es wurde berichtet, dass die systemische Behandlung mit dem HDAC-Inhibitor Valproinsäure (VPA) die Extinktion der konditionierten Angst verstärkt durch Erhöhung der Acetylierung der BDNF-Promotorregionen P1 und P4 (und damit Erhöhung der Expression von BDNF Exon IV) im präfrontalen Kortex.101 Forscher fanden auch heraus, dass die VPA-Verabreichung sowohl die Rekonsolidierung als auch die Auslöschung eines konditionierten Angstgedächtnisses erleichtert, abhängig von den Bedingungen der Gedächtniswiederherstellung.102 Der Hippocampus spielt auch eine Rolle beim Extinktionslernen, was durch das verstärkte Aussterben des Angstgedächtnisses gezeigt wird, das sich aus der intrahippocampalen Injektion des HDAC-Inhibitors TSA vor dem Abrufen des Gedächtnisses ergibt.103 Die Auslöschung des Cued-Angstgedächtnisses, das Amygdala-abhängig ist, wird auch durch eine einmalige Behandlung mit Natriumbutyrat verstärkt.104
Obwohl sich derzeit hochspezifische Wirkstoffe in der Entwicklung befinden und nur in begrenztem Umfang experimentell eingesetzt wurden,78,90,91,105 Die meisten der häufig verwendeten HDAC-Inhibitoren (TSA, VPA, SAHA, NaB) beeinflussen ein breites Spektrum von HDAC-Enzymen.94 Es kann nicht immer sicher sein, ob die Auswirkungen der HDAC-Hemmung auf eine veränderte Acetylierung von Histon- oder Nicht-Histon-Proteinen106 zurückzuführen sind; Diese Medikamente sind mächtige Werkzeuge im Arsenal des Forschers, aber sie sind eher Vorschlaghammer als feine Skalpelle. Die Verwendung von HDAC-Inhibitoren hat starke Beweise dafür geliefert, dass die Histonacetylierung eine entscheidende Rolle bei normalen Prozessen des Gedächtnisses und der Plastizität spielt. Sie haben uns auch gezeigt, dass HDAC-Enzyme das Gedächtnis negativ regulieren können, da Lernen und Plastizität durch ihre Hemmung verbessert werden.
Die multifaktorische, vielschichtige Regulation der Histonacetylierung in molekularen Gedächtnisprozessen bereitet der Forschung Schwierigkeiten, und es wird große Anstrengungen erfordern, die Mechanismen zu sezieren, die die genauen, gegensätzlichen Aktivitäten von HAT- und HDAC-Komplexen ermöglichen. Diese Komplikation stellt eine große Anzahl potenzieller Ziele für pharmakologische und genetische Manipulationen dar, die darauf warten, von Experimentatoren ausgenutzt zu werden. Andere histonmodifizierende Enzyme, die an der Phosphorylierung und Methylierung beteiligt sind und am Gedächtnis beteiligt sind, interagieren mit den HAT- und HDAC-haltigen Komplexen. Die Histonacetylierung ist wichtig, aber wenn es um das Gedächtnis geht, ist es bei weitem nicht das einzige Spiel in der Stadt. Die Untersuchung der Details der Histonacetylierung, zusammen mit der kombinierten Wirkung und dem Übersprechen mit komplexierten Histonmethyltransferasen und Histonkinasen, wird in den kommenden Jahren Untersuchungsmöglichkeiten bieten.