Histone Acylation
Histone acylation is the best studied of the kromatin modifications that have related learning and memory.62 tämä on järkevää, koska histoniasetylaatio liittyy aktiiviseen transkriptioon,18 ja geenien osajoukon aktiivinen transkriptio on välttämätön sekä muistin muodostumiselle että synaptisen plastisuuden pitkäaikaisille muutoksille.63,64 Schmitt ja Matthies65 olivat ensimmäiset, jotka osoittivat muutoksia aivojen asetylaatiossa oppimisen jälkeen. Käyttämällä radioleimattua asetaattia he osoittivat, että histoniasetylaatio käyttäytymisharjoittelun jälkeen oli yläsääntelyä hippokampuksessa, mutta alasääntelyä muilla aivoalueilla. Kesti hieman yli kaksi vuosikymmentä histoniasetylaation saada toisen ilmeen, tällä kertaa klassinen selkärangattomien malli oppimisen aplysia californica66 jossa pitkäaikainen helpottaminen synaptisen vahvuus vastauksena antoon 5-HT lisäsi asetylaatiota Histoni H3 ja Histoni H4.
kuluneen vuosikymmenen aikana histoniasetylaatio on toistuvasti yhdistetty oppimiseen ja plastisuuteen sekä selkärangattomissa että nisäkkäiden mallijärjestelmissä, ja nyt sen tiedetään olevan elintärkeä mekanismi sekä muistin konsolidoinnin 28, 67-70 että pitkäaikaisen potentiaation (LTP) taustalla.69,70 oppimiseen liittyvät histoniasetylaation muutokset tapahtuvat nopeasti ja saavuttavat huippunsa noin 60 minuutin kuluttua harjoittelusta. Nämä maailmanlaajuiset histoniasetylaatiomuutokset ovat kuitenkin suhteellisen ohimeneviä, ja ne palautuvat lähtötasolle 24 tunnin kuluttua koulutuksesta.69 näiden histoniasetylaatiomuutosten ajallinen kulku sopii hyvin yhteen niiden ehdotetun roolin kanssa muistiin liittyvien geenien transkriptiossa, joka tapahtuu samalla aikataululla kuin muistin konsolidointia ja LTP: tä helpottavan transkription ensimmäinen aalto.64,71-74
mitkä ovat erityiset histoniasetylaatiomerkit, jotka ovat vuorovaikutuksessa muistin konsolidaation ja plastisuuden prosessien kanssa? Aplysiassa pitkäaikainen fasilitaatio liittyy histonin H3K14 ja histonin H4K8.66 asetylaatioon jyrsijämalleissa löydökset ovat vaihtelevampia. Esimerkiksi kontekstuaalinen pelko conditioning lisää Histoni H3, mutta ei Histoni H4, asetylaatiota hippokampaalialueella CA1, kun taas piilevä inhibitio koulutus on päinvastainen tulos.69 Fear conditioning lisää myös homer1 mRNA: n ilmentymistä hippokampuksessa, johon liittyy lisääntynyt Histoni H3-asetylaatio homer1-promoottorissa ilman, että Histoni H4: n asetylaatio muuttuu.75 ikääntymistä ja muistia koskevassa tutkimuksessa havaittiin, että nuorilla hiirillä pelkotila lisäsi asetylaatiota H3: ssa (K9 ja K14) ja H4: ssä (K5, K8 ja K12), kun taas vanhoilla hiirillä oli muistihäiriöitä ja h4k12: n asetylaatio oli puutteellista.76 Morris Water Maze training lisää H3: n (K9 ja K14), H4: n (K12) ja H2B: n asetylaatiota, mutta H3: n asetylaatio havaittiin myös visual-platform-versiossa tästä tehtävästä, mikä viittaa siihen, että H3-asetylaatio voisi olla mukana passiivisemmassa tilaoppimisessa77; toisessa tutkimuksessa havaittiin, että vesilabyrintti-harjoittelu lisää H3K18-asetylaatiota.78 hiirellä, joilla oli histonideasetylaasientsyymi hdac2: n poisto, oli parannettu muistia ja synaptista plastisuutta sekä lisääntynyt h4k5-ja h4k12-asetylaatio.79 hippokampal viipaleita, induktio LTP Forskoliini-stimulaatio lisääntynyt H3K14 asetylaatio.80 on selvää, että eri koulutusparadigmat ovat osoittaneet, että tietyt histonin asetylaatiomallit liittyvät tiettyihin muistin ja plastisuuden muotoihin, mutta Histoni H3: n tai Histoni H4: n lysiinijäämien asetylaatio on yleisimmin raportoitu muunnos.
Asetyyliryhmät lisätään histonihännän lysiinijäämiin histoniasetyylitransferaasientsyymien (Hat) avulla. CREB-binding protein, CBP, on transkriptionaalinen co-aktivaattori, jolla on luontainen HAT-aktiivisuus. CBP sitoo CREB: tä, transkriptiotekijää, joka on tunnettu muistiperäisten geenien transkription välittäjä.81,82 monet ryhmät ovat käyttäneet geneettisiä työkaluja leikelläkseen CBP: n roolin muistissa, ja ymmärrämme nyt, että CBP: n HAT activity68 ja CREB-binding activity83 ovat tärkeitä pitkäkestoisen muistin muodostumiselle ja myöhäisvaiheen LTP: lle. HDAC-inhibitio voi pelastaa muistivajeet joissakin CBP-mutanttihiirten,28,68,kannoissa,mutta muistin ja plastisuuden parantaminen HDAC-inhibitiolla edellyttää CREB: tä ja CBP: n vuorovaikutusta CREB: n, 70, 84: n kanssa, mikä viittaa CREB-välitteisiin geeneihin säätelyn kohteina muistin histonimuunnoksella. Läheistä sukua olevat hatut p300 ja PCAF ovat myös osallistuneet oppimiseen ja muistiin, joskin niiden tarkat roolit ja asetyylitransferaasiaktiivisuuden tavoitteet näyttävät poikkeavan CBP: n vastaavista.85-88
histonideasetylaasientsyymit (HDAC) vastaavat asetyyliryhmien poistamisesta histonihännästä hattuja vastustaen. Tällä hetkellä tunnetaan 18 HDAC-entsyymiä, jotka on jaettu neljään eri luokkaan sekvenssin ja rakenteen perusteella. Nisäkkäiden keskushermostossa luokan I entsyymit (HDAC1, HDAC2, HDAC3 ja HDAC8) säätelevät aktiivisimmin muistin muodostumista, kun taas toiset osallistuvat erilaisiin muovisiin prosesseihin, kuten stressiin, masennukseen ja riippuvuuteen.89 todistusaineisto on sekä farmakologista että geneettistä. HDAC2: n yliekspressio heikentää pitkäkestoista muistia ja hippokampuksen LTP: tä, kun taas sen sammuttamisella on käänteinen vaikutus. HDAC1: n yliekspressio ei aiheuta eroja oppimisessa tai plastisuudessa, mikä osoittaa, että hdac2, mutta ei HDAC1, on erityisen tärkeä muistin kannalta.79 hiirillä hdac3: n ehdollinen poisto dorsaalisessa hippokampuksessa parantaa pitkän aikavälin kontekstuaalista pelkomuistia,90 vaikutus, joka on phenocopied spesifinen farmakologinen inhibitio HDAC3. Luokan I spesifisen HDAC-inhibiittorin MS-275 intrahippokampaalinen infuusio parantaa pitkäkestoista muistia kohteen sijaintiin; MS-275 estää mieluiten HDAC1: n ja HDAC2: n HDAC3: n ja HDAC8: n sijasta, mikä tukee HDAC2: n merkitystä muistissa.91 HDAC-entsyymit eivät sitoudu suoraan DNA: han, vaan toimivat suurten, monisubuniittisten repressorikompleksien osina.92 HDAC1 ja HDAC2 löytyvät osana Sin3a -, NurD-ja Co-RESPRESSORIKOMPLEKSEJA, kun taas HDAC3 löytyy rinnakkais repressoreista N-CoR ja SMRT. Lisäksi sin3a-rinnakkaisrepressorikompleksi vuorovaikuttaa sekä SMRT: n että N-CoR: n kanssa, joten HDAC2 ja HDAC3 voivat löytyä promoottoreista yhdessä tai erikseen, mikä lisää toisen monimutkaisuuden ja spesifisyyden kerroksen histonin modifioinnin säätelyyn.93 nähtäväksi jää, missä ja milloin eri yhteissuurennuskompleksit paikallistetaan ja mitä ne tarkalleen ottaen värväävät. On tunnistettu suuri määrä transkriptiota sääteleviä tekijöitä, jotka voisivat olla vuorovaikutuksessa repressiivisen deasetylaasiaktiivisuuden kanssa ja rekrytoida siihen, mikä tekee näiden histoniasetylaation alkuaikojen säätelijöiden palapelistä entistäkin mielenkiintoisemman ja monimutkaisemman.
pienimolekyylisiä histonideasetylaasin estäjiä on nykyään laajalti saatavilla, ja niitä on käytetty monissa kokeellisissa järjestelmissä. Nämä lääkkeet kuuluvat erilaisiin kemiallisiin perheisiin ja niillä on eriasteinen spesifisyys, johon HDAC-entsyymit kohdistuvat.Aplysiassa tehdyissä kokeissa havaittiin, että trikostatiini-a (TSA)-hoito paransi pitkäaikaista helpottamista.66 jyrsijöillä TSA ja toinen HDAC: n estäjä, natriumbutyraatti (NAB), parantavat LTP: tä ex vivo hippokampalohkoissa 69,70 ja muistin muodostumista in vivo systeemisen annon jälkeen.69 TSA: n infuusio suoraan hippokampukseen parantaa myös kontekstuaalista pelkomuistia, mutta ei lyhytkestoista muistia tai hippokampuksesta riippumatonta kammoa.70 HDAC-estäjien muistia parantavat vaikutukset eivät rajoitu kontekstuaaliseen ja spatiaaliseen muistiin, mikä kertoo, että HDAC-esto voi helpottaa histonin hyperasetylaatiota hippokampuksen ulkopuolisissa muovisissa prosesseissa. Esimerkiksi HDAC-inhibiittorin infuusio suoraan lateraaliseen mantelitumakkeeseen parantaa cued – pelkotilan tone-footshock-assosiaation muistia, ja mantelitumakkeen LTP: tä tehostaa myös HDAC-inhibitio.
muistiprosesseihin vaikuttaa hankinnan ja konsolidoinnin lisäksi myös histoniasetylaatio. Uudelleensolidaatio, ilmiö konsolidoidun muistin tulossa väliaikaisesti labiili, kun se on muistettava, liittyy monia samoja molekyylimekanismeja kuin alkuperäinen konsolidointi, ja sukupuutto, joka on heikkeneminen aiemmin opittu assosiaatio, jakaa monia käyttäytymiseen ja biokemiallisia mekanismeja muistin hankinta.96-100 otsakorteksilla on merkittävä osa sukupuuttoprosesseissa, ja on raportoitu, että systeeminen hoito HDAC-inhibiittorilla valproiinihapolla (VPA) tehostaa ehdollistuneen pelon sukupuuttoa lisäämällä bdnf: n promoottorialueiden P1 ja P4 asetylaatiota (ja siten BDNF: n ekson IV: n ilmentymistä) etuotsalohkossa.101 tutkijat havaitsivat myös, että VPA hallinto helpottaa sekä uudelleensolidointi ja sukupuuttoon ehdollistetun pelkomuisti, riippuen olosuhteista Muistin Haku.102 hippokampuksella on myös rooli sukupuutto-oppimisessa, mikä on osoituksena PELKOMUISTIN lisääntyneestä häviämisestä, joka johtuu HDAC-inhibiittorin TSA: n intrahippokampuksen injektiosta ennen muistin palauttamista.103 mantelitumakkeesta riippuvaisen cued-pelkomuistin häviämistä tehostaa myös yksittäinen natriumbutyraattihoito.78,90,91,105 useimmat yleisesti käytetyt HDAC-estäjät (TSA,VPA, SAHA, NaB) vaikuttavat moniin HDAC-entsyymeihin.94 ei voida aina olla varmoja, johtuvatko HDAC: n eston vaikutukset histonin tai ei-histoniproteiinien muuttuneesta asetylaatiosta 106; nämä lääkkeet ovat tutkijan arsenaalissa tehokkaita työkaluja, mutta ne ovat yleensä pikemminkin moukareita kuin hienoja skalpelleja. HDAC-estäjien käyttö on antanut vahvaa näyttöä siitä, että histoniasetylaatiolla on keskeinen rooli normaaleissa muisti-ja plastisuusprosesseissa. He ovat myös osoittaneet meille, että HDAC-entsyymit pystyvät säätelemään muistia negatiivisesti, sillä niiden esto parantaa sekä oppimista että plastisuutta.
histoniasetylaation monitekijäinen, monikerroksinen säätely molekyylimuistiprosesseissa aiheuttaa vaikeuksia tutkimukselle, ja tarvitaan suuria ponnistuksia niiden mekanismien analysoimiseksi, jotka mahdollistavat Hat-ja HDAC-kompleksien tarkan, vastakkaisen toiminnan. Tämä komplikaatio sisältää suuren määrän mahdollisia farmakologisen ja geneettisen manipulaation kohteita, jotka odottavat kokeilijoiden hyödyntämistä. Muiden histonia muokkaavien entsyymien, jotka osallistuvat fosforylaatioon ja metylaatioon ja osallistuvat muistiin, on havaittu olevan vuorovaikutuksessa HAT – ja HDAC-sisältävien kompleksien kanssa. Histoniasetylaatio on tärkeää, mutta muistin kannalta se ei ole läheskään ainoa peli kaupungissa. Histoniasetylaation yksityiskohtien tutkiminen yhdessä kompleksoitujen histonimetyylitransferaasien ja histonikinaasien yhdistetyn vaikutuksen ja ristikeskustelun kanssa tarjoaa tutkimusväyliä tulevina vuosina.