hiszton acetilezés
a hiszton acetilezés a legjobban tanulmányozott a kromatin módosítások, amelyek kapcsolódnak a tanulás és a memória.62 ennek van értelme, mivel a hiszton-acetilezés aktív transzkripcióval jár, 18 és a gének egy részhalmazának aktív transzkripciója szükséges mind a memória kialakulásához, mind a szinaptikus plaszticitás hosszú távú változásaihoz.63,64 Schmitt és Matthies65 voltak az elsők, akik kimutatták az acetiláció változását az agyban a tanulás után. Radioizotóppal jelölt acetát alkalmazásával kimutatták, hogy a viselkedési edzés utáni hiszton-acetilezés a hippokampuszban fel van szabályozva, de más agyi régiókban le van szabályozva. Kicsit több mint két évtizedbe telt, mire a hiszton-acetilezés újabb pillantást vetett, ezúttal az Aplysia californica66 tanulásának klasszikus gerinctelen modelljében, ahol az 5-HT beadására adott válaszként a szinaptikus erő hosszú távú megkönnyítése növelte a hiszton H3 és hiszton H4 acetilációját.
az elmúlt évtizedben a hiszton-acetilezés ismételten kapcsolódott a tanuláshoz és a plaszticitáshoz mind a gerinctelen, mind az emlős modellrendszerekben, és ma már ismert,hogy létfontosságú mechanizmus, amely mind a memória-konszolidáció28, 67-70, mind a hosszú távú potencírozás (LTP) mögött áll.69,70 a tanulást kísérő hiszton-acetiláció változásai gyorsan bekövetkeznek, az edzés után körülbelül 60 perccel tetőznek. A hiszton-acetilezés ezen globális változásai azonban viszonylag átmenetiek, és az edzés után 24 órával visszatérnek a kiindulási szintre.69 a hiszton-acetilezés ezen változásainak időbeli lefolyása nagyon jól illeszkedik a memóriával kapcsolatos gének transzkripciójában javasolt szerepükhöz, amelyek ugyanabban az időskálában fordulnak elő, mint a memória konszolidációját és az LTP-t megkönnyítő kezdeti transzkripciós hullám.64,71-74
melyek azok a specifikus hiszton acetilezési jelek, amelyek kölcsönhatásba lépnek a memória konszolidációjának és plaszticitásának folyamataival? Aplysia esetén a hosszú távú könnyítés a h3k14 hiszton és a h4k8 hiszton acetilezésével jár.66 a rágcsálómodellek eredményei változatosabbak. Például a kontextuális félelem kondicionálása növeli a H3 hisztont, de nem hiszton H4, acetilezés a CA1 hippokampusz területén, míg a látens gátlási edzés ellentétes eredménnyel jár.69 a félelem kondicionálása szintén növeli a homer1 mRNS expresszióját a hippokampuszban, amelyet fokozott hiszton H3 acetilezés kísér a homer1 promóternél, a H4 hiszton acetilezésének változása nélkül.75 az öregedésről és a memóriáról szóló tanulmány megállapította, hogy fiatal egerekben a félelem kondicionálása fokozta az acetilezést a H3 (K9 és K14) és a H4 (K5, K8 és K12), míg az öreg egerekben memóriazavar volt és hiányos volt a H4K12 acetilezés.76 A Morris víz labirintus tréning növeli a H3 (K9 és K14), H4 (K12) és H2B acetilációját, de a H3 acetilációját a feladat vizuális platformos változatában is megtalálták, jelezve, hogy a H3 acetilezés részt vehet a passzívabb térbeli tanulásban77; egy másik tanulmány megállapította, hogy a víz labirintus edzés növeli a H3K18 acetilációját.78, a hiszton-dezacetiláz enzim hdac2 deléciójával rendelkező egereknél fokozódott a memória és a szinaptikus plaszticitás, valamint fokozódott a H4K5 és H4K12 acetiláció.79 hippokampális szeletekben az LTP indukciója forskolin stimulációval növelte a H3K14 acetilezést.80 nyilvánvaló, hogy a különböző képzési paradigmák azt mutatták, hogy a hiszton-acetilezés specifikus mintái a memória és a plaszticitás bizonyos formáihoz kapcsolódnak, de a hiszton H3 vagy hiszton H4 lizinmaradványok acetilezése a leggyakrabban jelentett módosítás.
Acetilcsoportokat adunk a hiszton farok lizin maradékaihoz a hiszton-acetil-transzferáz (HAT) enzimek. A CREB-kötő fehérje, a CBP egy transzkripciós koaktivátor, amelynek belső HAT aktivitása van. A CBP megköti a CREB-et, egy transzkripciós faktort, amely a memóriával kapcsolatos gének transzkripciójának jól ismert közvetítője.81,82 számos csoport genetikai eszközöket használt a CBP memóriában betöltött szerepének boncolására, és most már megértjük, hogy mind a CBP HAT aktivitása68, mind a CREB-kötő tevékenysége83 fontosak a hosszú távú memória kialakulásához és a késői fázisú LTP-hez. A HDAC gátlás megmentheti a memóriahiányt a CBP mutáns egerek egyes törzseiben,28,68, de a memória és a plaszticitás HDAC gátlással történő fokozásához CREB és a CBP kölcsönhatása szükséges CREB,70,84 ami a CREB által közvetített géneket a hiszton módosításával a memóriában. A szorosan kapcsolódó P300 és PCAF kalapok szintén szerepet játszanak a tanulásban és a memóriában, bár pontos szerepük és acetil-transzferáz aktivitásuk célpontjai eltérnek a CBP-től.85-88
a hiszton-dezacetiláz (HDAC) enzimek felelősek az acetilcsoportok eltávolításáért a hiszton farkából, szemben a kalapokkal. Jelenleg 18 azonosított HDAC enzim van, amelyek szekvenciája és szerkezete alapján négy különböző osztályba sorolhatók. Az emlősök központi idegrendszerében az I. osztályú enzimek (HDAC1, HDAC2, HDAC3 és HDAC8) a legaktívabbak a memória kialakulásának szabályozásában, míg mások különböző műanyag folyamatokban vesznek részt, mint például a stressz, a depresszió és a függőség.89 az alátámasztó bizonyítékok mind farmakológiai, mind genetikai jellegűek. A HDAC2 túlzott expressziója a hosszú távú memória és a hippokampusz LTP károsodását eredményezi, míg a kiütésnek fordított hatása van. A HDAC1 túlzott expressziója nem okoz különbséget a tanulásban vagy a plaszticitásban, ami azt jelzi, hogy a HDAC2, de a HDAC1 nem, különösen fontos a memória szempontjából.79 egerekben a HDAC3 feltételes deléciója a hátsó hippocampusban fokozza a hosszú távú kontextuális félelem memóriát, 90 olyan hatás, amelyet a HDAC3 specifikus farmakológiai gátlása okoz. Az I. osztályú HDAC inhibitor ms-275 intrahippocampális infúziója javítja az objektum helyének hosszú távú memóriáját; Az MS-275 elsősorban a HDAC1-et és a HDAC2-t gátolja a HDAC3-mal és a HDAC8-mal szemben, ami támogatja a HDAC2 fontosságát a memóriában.91 a HDAC enzimek nem kötődnek közvetlenül a DNS-hez, hanem nagy, multisubunit represszor komplexek részeként működnek.92 HDAC1 és HDAC2 megtalálható a Sin3a, NurD és Co-REST represszor komplexek részeként, míg a HDAC3 megtalálható az N-CoR és az SMRT társrepresszorokkal. Ezenkívül a Sin3a Ko-represszor komplex kölcsönhatásba lép mind az SMRT-vel, mind az N-CoR-val, így a HDAC2 és a HDAC3 a promotereknél együtt vagy külön-külön is megtalálható, egy másik komplexitási és specifikussági réteget adva a hiszton módosításának szabályozásához.93 még mindig látni kell, hol és mikor lokalizálódnak a különböző Társ-represszor komplexumok, és pontosan mi toborozza őket. Számos transzkripciót szabályozó tényezőt azonosítottak, amelyek kölcsönhatásba léphetnek az elnyomó dezacetiláz aktivitással és felvehetik azt, ami még érdekesebbé és bonyolultabbá teszi a hiszton-acetilezés ezen upstream szabályozóinak rejtélyét.
a kis molekulájú hiszton-deacetiláz inhibitorok ma már széles körben elérhetők, és számos kísérleti rendszerben alkalmazták őket. Ezek a gyógyszerek különböző kémiai családokba tartoznak, és különböző fokú specifitással büszkélkedhetnek, amelyekben a HDAC enzimeket célozzák meg.94 az Aplysiában végzett kísérletek azt mutatták, hogy a trichostatin-A (TSA) kezelés fokozta a hosszú távú megkönnyítést.66 rágcsálókban a TSA és egy másik HDAC-gátló, a nátrium-butirát (NAB) fokozza az LTP-t ex vivo hippokampusz szeletekben69, 70 és a memória képződését in vivo szisztémás alkalmazást követően.69 a TSA közvetlenül a hippokampuszba történő infúziója szintén fokozza a kontextuális félelemmemóriát, de nem a rövid távú memóriát vagy a hippokampusztól független félelmet.70 a HDAC-gátlók memóriajavító hatása nem korlátozódik a kontextuális és térbeli memóriára, ami azt mutatja, hogy a HDAC-gátlás elősegítheti a hiszton hiperacetilációját a hippokampuszon kívüli műanyag folyamatokban. Például egy HDAC inhibitor infúziója közvetlenül a laterális amygdala fokozza a memóriát a cued félelem kondicionálásának tone-footshock asszociációjához, az amygdala LTP-jét pedig a HDAC gátlás is fokozza.95
a memóriafolyamatokat az akvizíció és a konszolidáció mellett a hiszton-acetilezés is befolyásolja. A konszolidáció, az a jelenség, hogy a konszolidált memória átmenetileg labilisvá válik, amikor visszahívják, ugyanazokat a molekuláris mechanizmusokat foglalja magában, mint a kezdeti konszolidáció, és a kihalás, amely egy korábban megtanult társulás gyengülése, számos viselkedési és biokémiai mechanizmust oszt meg a memória megszerzésével.96-100 a frontális kéreg jelentős szerepet játszik a kihalási folyamatokban, és beszámoltak arról, hogy a Hdac inhibitor valproinsavval (VPA) végzett szisztémás kezelés fokozza a kondicionált félelem kihalását azáltal, hogy növeli a bdnf promoter régiók P1 és P4 acetilációját (és ezáltal növeli a BDNF IV exon expresszióját) a prefrontális kéregben.101 kutató azt is megállapította, hogy a VPA beadása megkönnyíti mind a kondicionált félelemmemória újbóli megszilárdulását, mind a kihalását, a memória visszakeresésének körülményeitől függően.102 a hippocampus szerepet játszik a kihalási tanulásban is, amelyet a félelem memória fokozott kihalása mutat be, amely a HDAC inhibitor TSA intrahippocampális injekciójából származik a memória visszakeresése előtt.103 az amygdala-függő cued félelem memória kihalását egyetlen nátrium-butiráttal történő kezelés is fokozza.104
bár a nagyon specifikus szerek jelenleg fejlesztés alatt állnak,és korlátozott kísérleti felhasználást tapasztaltak,78,90,91, 105 A leggyakrabban használt HDAC inhibitorok (TSA, VPA, SAHA, NaB) a HDAC enzimek széles skáláját érintik.94 nem mindig lehet biztos abban, hogy a HDAC-gátlás hatásai a hiszton vagy a nem hiszton fehérjék megváltozott acetilezésének tulajdoníthatók106; ezek a gyógyszerek hatékony eszközök a nyomozó arzenáljában, de inkább kalapácsok, mint finom szikék. A HDAC-gátlók használata erőteljes bizonyítékot szolgáltatott arra, hogy a hiszton-acetiláció kulcsfontosságú szerepet játszik a memória és a plaszticitás normális folyamataiban. Azt is megmutatták nekünk, hogy a HDAC enzimek képesek negatívan szabályozni a memóriát, mivel a tanulást és a plaszticitást gátolják.
a hiszton-acetilezés többtényezős, többrétegű szabályozása a molekuláris memória folyamatokban nehézségeket okoz a kutatásban, és nagy erőfeszítésekre lesz szükség azoknak a mechanizmusoknak a boncolására, amelyek lehetővé teszik a HAT és a HDAC komplexek pontos, ellentétes tevékenységét. Ez a komplikáció számos lehetséges célpontot mutat be a farmakológiai és genetikai manipulációra, amelyek arra várnak, hogy a kísérletezők kihasználják őket. A foszforilezésben és metilezésben részt vevő és a memóriában szerepet játszó egyéb hisztonmódosító enzimek kölcsönhatásba lépnek a HAT – és HDAC – tartalmú komplexekkel. A hiszton acetilezése fontos, de ami a memóriát illeti, ez messze nem az egyetlen játék a városban. A hiszton-acetilezés részleteinek vizsgálata, valamint a komplex hiszton-metiltranszferázokkal és hiszton-kinázokkal való kombinált fellépés és keresztbeszélgetés az elkövetkező években lehetőséget nyújt a vizsgálatokra.