Acetilación de histonas
La acetilación de histonas es la mejor estudiada de las modificaciones de la cromatina que se han relacionado con el aprendizaje y la memoria.62 Esto tiene sentido, ya que la acetilación de histonas está asociada con la transcripción activa18,y la transcripción activa de un subconjunto de genes es necesaria tanto para la formación de memoria como para los cambios a largo plazo en la plasticidad sináptica.63,64 Schmitt y Matthies65 fueron los primeros en demostrar cambios en la acetilación en el cerebro después del aprendizaje. Usando acetato radiomarcado, mostraron que la acetilación de histonas después del entrenamiento conductual se reguló al alza en el hipocampo, pero se reguló a la baja en otras regiones cerebrales. Tomó un poco más de dos décadas para que la acetilación de histonas obtuviera otro aspecto, esta vez en el modelo clásico de invertebrados de Aplysia californica66 de aprendizaje, donde la facilitación a largo plazo de la fuerza sináptica en respuesta a la administración de 5-HT aumentó la acetilación de la histona H3 y la histona H4.
Durante la última década, la acetilación de histonas se ha conectado repetidamente con el aprendizaje y la plasticidad en sistemas modelo de invertebrados y mamíferos, y ahora se sabe que es un mecanismo vital subyacente tanto a la consolidación de la memoria28,67-70 como a la potenciación a largo plazo (LTP).69,70 Los cambios en la acetilación de histonas que acompañan el aprendizaje ocurren rápidamente, alcanzando un máximo de aproximadamente 60 minutos después del entrenamiento. Sin embargo, estos cambios globales en la acetilación de histonas son relativamente transitorios y vuelven a los niveles basales 24 horas después del entrenamiento.69 El curso temporal de estos cambios en la acetilación de histonas encaja muy bien con su papel propuesto en la transcripción de genes relacionados con la memoria, ocurriendo en la misma escala de tiempo que la onda inicial de transcripción que facilita la consolidación de la memoria y la LTP.64,71-74
¿Cuáles son las marcas específicas de acetilación de histonas que interactúan con los procesos de consolidación de la memoria y plasticidad? En la Aplysia, la facilitación a largo plazo se asocia con la acetilación de la histona H3K14 y la histona H4K8.66 Los hallazgos en modelos de roedores son más variados. Por ejemplo, el condicionamiento de miedo contextual aumenta la acetilación de la histona H3, pero no de la histona H4, en el área del hipocampo CA1, mientras que el entrenamiento de inhibición latente tiene el resultado opuesto.69 El condicionamiento por miedo también aumenta la expresión del ARNm homer1 en el hipocampo, que se acompaña de un aumento de la acetilación de la histona H3 en el promotor homer1 sin cambios en la acetilación de la histona H4.75 Un estudio sobre el envejecimiento y la memoria encontró que, en ratones jóvenes, el condicionamiento del miedo aumentó la acetilación en H3 (K9 y K14) y H4 (K5, K8 y K12), mientras que los ratones viejos tenían deficiencias de memoria y eran deficientes en acetilación H4K12.76 El entrenamiento en laberinto de agua de Morris aumenta la acetilación de H3 (K9 y K14), H4 (K12) y H2B, pero la acetilación de H3 también se encontró en una versión de plataforma visual de esta tarea, lo que indica que la acetilación de H3 podría estar involucrada en un aprendizaje espacial más pasivo 77; otro estudio encontró que el entrenamiento en laberinto de agua aumenta la acetilación de H3K18.78 Ratones con deleción de la enzima histona desacetilasa HDAC2 tenían una memoria mejorada y plasticidad sináptica, y un aumento de la acetilación de H4K5 y H4K12.79 En rodajas de hipocampo, la inducción de LTP por estimulación forskolina aumentó la acetilación de H3K14.80 Está claro que diferentes paradigmas de entrenamiento han revelado que los patrones específicos de acetilación de histonas están asociados con formas específicas de memoria y plasticidad, pero la acetilación de residuos de lisina de histona H3 o histona H4 son las modificaciones más comúnmente reportadas.
Los grupos acetilo se agregan a los residuos de lisina de cola de histona por las enzimas histona acetiltransferasa (HAT). La proteína de unión a CREB, CBP, es un coactivador transcripcional con actividad intrínseca de HAT. CBP se une a CREB, un factor de transcripción que es un mediador bien conocido de la transcripción de genes relacionados con la memoria.81,82 Muchos grupos han utilizado herramientas genéticas para diseccionar el papel de la CBP en la memoria, y ahora entendemos que tanto la actividad hat68 como la actividad de unión a CREB83 de la CBP son importantes para la formación de memoria a largo plazo y la LTP de fase tardía. La inhibición de HDAC puede rescatar déficits de memoria en algunas cepas de ratones mutantes de CBP28,68,pero la mejora de la memoria y la plasticidad por la inhibición de HDAC requiere CREB y la interacción de CBP con CREB70,84,lo que implica genes mediados por CREB como blancos de regulación por modificación de histonas en la memoria. Los estrechamente relacionados HATs p300 y PCAF también han sido implicados en el aprendizaje y la memoria, aunque sus roles precisos y los objetivos de su actividad acetiltransferasa parecen diferir de los de CBP.85-88
Las enzimas histona deacetilasa (HDAC) son responsables de la eliminación de los grupos acetilo de las colas de histona, actuando en oposición a los sombreros. Actualmente hay 18 enzimas HDAC identificadas, divididas en cuatro clases diferentes basadas en la secuencia y la estructura. En el SNC de los mamíferos, las enzimas de clase I (HDAC1, HDAC2, HDAC3 y HDAC8) son las más activas en la regulación de la formación de memoria, mientras que otras participan en diferentes procesos plásticos como el estrés, la depresión y la adicción.89 La evidencia de apoyo es tanto farmacológica como genética. La sobreexpresión de HDAC2 resulta en un deterioro de la memoria a largo plazo y de la LTP del hipocampo, mientras que eliminarla tiene el efecto inverso. La sobreexpresión de HDAC1 no produce diferencias en el aprendizaje o la plasticidad, lo que indica que HDAC2, pero no HDAC1, es particularmente importante para la memoria.79 En ratones,la deleción condicional de HDAC3 en el hipocampo dorsal mejora la memoria de miedo contextual a largo plazo90, un efecto fenocopiado por inhibición farmacológica específica de HDAC3. La infusión intrahipocampal del inhibidor de HDAC específico de clase I MS-275 mejora la memoria a largo plazo para la ubicación de objetos; MS-275 inhibe preferentemente HDAC1 y HDAC2 sobre HDAC3 y HDAC8, lo que respalda la importancia de HDAC2 en la memoria.91 Las enzimas HDAC no se unen al ADN directamente, sino que funcionan como partes de grandes complejos represores de multisubunidades.92 HDAC1 y HDAC2 se pueden encontrar como parte de los complejos represores Sin3a, NurD y Co-REST, mientras que HDAC3 se encuentra con los co-represores N-CoR y SMRT. Además, el complejo copresor Sin3a interactúa con SMRT y N-CoR, por lo que HDAC2 y HDAC3 pueden encontrarse en promotores juntos o por separado, agregando otra capa de complejidad y especificidad a la regulación de la modificación de histonas.93 Todavía queda por ver dónde y cuándo se localizan los diversos complejos copresores, y exactamente qué los recluta. Se ha identificado un gran número de factores reguladores de la transcripción que podrían interactuar con la actividad represiva de la deacetilasa y reclutarla, lo que hace que el rompecabezas de estos reguladores ascendentes de la acetilación de histonas sea aún más interesante y complicado.
Los inhibidores de la histona deacetilasa de moléculas pequeñas están ahora ampliamente disponibles y se han utilizado en muchos sistemas experimentales. Estos medicamentos pertenecen a una variedad de familias químicas y cuentan con varios grados de especificidad en los que se dirigen las enzimas HDAC.94 Los experimentos realizados en Aplysia encontraron que el tratamiento con tricostatina-A (TSA) mejoró la facilitación a largo plazo.En roedores, la TSA y otro inhibidor de HDAC, el butirato de sodio (NaB), mejoran la LTP en cortes hipocampales ex vivo 69,70 y la formación de memoria in vivo tras la administración sistémica.69 La infusión de TSA directamente en el hipocampo también mejora la memoria de miedo contextual, pero no la memoria a corto plazo o el miedo con indicación independiente del hipocampo.70 Los efectos de mejora de la memoria de los inhibidores de HDAC no se limitan a la memoria contextual y espacial, lo que nos dice que la inhibición de HDAC puede facilitar la hiperacetilación de histonas en procesos plásticos fuera del hipocampo. Por ejemplo, la infusión de un inhibidor de HDAC directamente en la amígdala lateral mejora la memoria para la asociación tono-pisada del condicionamiento de miedo con claves, y la LTP en la amígdala también se ve reforzada por la inhibición de HDAC.95
Los procesos de memoria, además de la adquisición y consolidación, también están influenciados por la acetilación de histonas. La reconsolidación, el fenómeno de una memoria consolidada que se vuelve temporalmente lábil cuando se recuerda, involucra muchos de los mismos mecanismos moleculares que la consolidación inicial, y la extinción, que es el debilitamiento de una asociación previamente aprendida, comparte muchos mecanismos conductuales y bioquímicos con la adquisición de la memoria.96-100 La corteza frontal juega un papel importante en los procesos de extinción, y se ha informado que el tratamiento sistémico con el inhibidor de HDAC ácido valproico (AVA) aumenta la extinción del miedo condicionado al aumentar la acetilación de las regiones promotoras de bdnf P1 y P4 (y por lo tanto, aumenta la expresión del exón IV de BDNF) en la corteza prefrontal.101 Los investigadores también encontraron que la administración de AVA facilita tanto la reconsolidación como la extinción de una memoria de miedo condicionada, dependiendo de las condiciones de recuperación de la memoria.102 El hipocampo también juega un papel en el aprendizaje de la extinción, demostrado por la extinción mejorada de la memoria de miedo que resulta de la inyección intrahipocampal del inhibidor de HDAC TSA antes de la recuperación de la memoria.103 La extinción de la memoria de miedo con claves, que depende de la amígdala, también se ve reforzada por un solo tratamiento con butirato de sodio.104
Aunque actualmente se están desarrollando agentes altamente específicos y se ha observado un uso experimental limitado 78,90,91,105,la mayoría de los inhibidores HDAC de uso común (TSA, AVA, SAHA, NaB) afectan a una amplia gama de enzimas HDAC.94 No siempre se puede saber con certeza si los efectos de la inhibición de la HDAC son atribuibles a una acetilación alterada de proteínas histónicas o no histónicas106; estos fármacos son herramientas poderosas en el arsenal del investigador, pero tienden a ser martillos en lugar de bisturíes finos. El uso de inhibidores de HDAC ha proporcionado evidencia poderosa de que la acetilación de histonas juega un papel fundamental en los procesos normales de memoria y plasticidad. También nos han demostrado que las enzimas HDAC son capaces de regular negativamente la memoria, ya que el aprendizaje y la plasticidad se ven reforzados por su inhibición.
La regulación multifactorial y multicapa de la acetilación de histonas en los procesos de memoria molecular presenta dificultades para la investigación, y se requerirá un gran esfuerzo para diseccionar los mecanismos que permiten las actividades precisas y opuestas de los complejos HAT y HDAC. Esta complicación presenta un gran número de blancos potenciales para la manipulación farmacológica y genética a la espera de ser explotados por los experimentadores. Se ha descubierto que otras enzimas modificadoras de histonas, involucradas en la fosforilación y metilación e implicadas en la memoria, interactúan con los complejos que contienen HAT y HDAC. La acetilación de histonas es importante, pero, cuando se trata de la memoria, está lejos de ser el único juego en la ciudad. La investigación de los detalles de la acetilación de histonas, junto con la acción combinada y la conversación cruzada con las metiltransferasas de histonas complejas y las histonas quinasas, proporcionará vías de investigación para los próximos años.