Istone acetilazione
Istone acetilazione è il meglio studiato delle modifiche cromatina che sono stati collegati apprendimento e memoria.62 Ciò ha senso, poiché l’acetilazione dell’istone è associata alla trascrizione attiva, 18 e la trascrizione attiva di un sottoinsieme di geni è necessaria sia per la formazione della memoria che per i cambiamenti a lungo termine nella plasticità sinaptica.63,64 Schmitt e Matthies65 sono stati i primi a dimostrare i cambiamenti nell’acetilazione nel cervello dopo l’apprendimento. Usando acetato radiomarcato, hanno dimostrato che l’acetilazione dell’istone dopo l’allenamento comportamentale era sovraregolata nell’ippocampo, ma downregolata in altre regioni del cervello. Ci sono voluti poco più di due decenni per l’acetilazione dell’istone per ottenere un altro aspetto, questa volta nel classico modello invertebrato di apprendimento di Aplysia californica66 dove la facilitazione a lungo termine della forza sinaptica in risposta alla somministrazione di 5-HT ha aumentato l’acetilazione dell’istone H3 e dell’istone H4.
Negli ultimi dieci anni, l’acetilazione degli istoni è stata ripetutamente collegata all’apprendimento e alla plasticità in entrambi i sistemi modello di invertebrati e mammiferi, ed è ora noto per essere un meccanismo vitale alla base sia del consolidamento della memoria28,67-70 che del potenziamento a lungo termine (LTP).69,70 I cambiamenti nell’acetilazione degli istoni che accompagnano l’apprendimento si verificano rapidamente, con un picco a circa 60 minuti dopo l’allenamento. Tuttavia, questi cambiamenti globali nell’acetilazione degli istoni sono relativamente transitori e ritornano ai livelli basali entro 24 ore dopo l’allenamento.69 Il corso temporale di questi cambiamenti nell’acetilazione degli istoni coincide molto bene con il loro ruolo proposto nella trascrizione di geni legati alla memoria, che si verificano nello stesso arco temporale dell’onda iniziale di trascrizione che facilita il consolidamento della memoria e l’LTP.64,71-74
Quali sono i segni specifici di acetilazione degli istoni che interagiscono con i processi di consolidamento e plasticità della memoria? In Aplysia, la facilitazione a lungo termine è associata all’acetilazione dell’istone H3K14 e dell’istone H4K8.66 I risultati nei modelli di roditori sono più vari. Ad esempio, il condizionamento della paura contestuale aumenta l’istone H3, ma non l’istone H4, l’acetilazione nell’area dell’ippocampo CA1, mentre l’allenamento di inibizione latente ha il risultato opposto.69 Il condizionamento della paura aumenta anche l’espressione dell’mRNA homer1 nell’ippocampo, che è accompagnato da un aumento dell’acetilazione dell’istone H3 presso il promotore homer1 senza alcun cambiamento nell’acetilazione dell’istone H4.75 Uno studio sull’invecchiamento e la memoria ha rilevato che, nei topi giovani, il condizionamento della paura aumentava l’acetilazione a H3 (K9 e K14) e H4 (K5, K8 e K12), mentre i topi vecchi avevano problemi di memoria ed erano carenti nell’acetilazione H4K12.76 Morris Water Maze training aumenta l’acetilazione di H3 (K9 e K14), H4 (K12) e H2B, ma l’acetilazione di H3 è stata trovata anche in una versione a piattaforma visiva di questo compito, indicando che l’acetilazione di H3 potrebbe essere coinvolta in un apprendimento spaziale più passivo77; un altro studio ha rilevato che78 Topi con una delezione dell’enzima deacetilasi dell’istone HDAC2 avevano migliorato la memoria e la plasticità sinaptica e aumentato l’acetilazione H4K5 e H4K12.79 In fette ippocampali, l’induzione di LTP da stimolazione di forskolin ha aumentato l’acetilazione H3K14.80 È chiaro che diversi paradigmi di allenamento hanno rivelato che specifici modelli di acetilazione dell’istone sono associati a specifiche forme di memoria e plasticità, ma l’acetilazione dei residui di lisina dell’istone H3 o dell’istone H4 sono le modifiche più comunemente riportate.
I gruppi acetilici vengono aggiunti ai residui di lisina della coda dell’istone dagli enzimi dell’istone acetiltransferasi (HAT). La proteina CREB-binding, CBP, è un co-attivatore trascrizionale con attività HAT intrinseca. CBP lega CREB, un fattore di trascrizione che è un mediatore ben noto della trascrizione dei geni relativi alla memoria.81,82 Molti gruppi hanno utilizzato strumenti genetici per sezionare il ruolo del CBP nella memoria e ora comprendiamo che sia l’attività hat68 che l’attività di legame CREB83 del CBP sono importanti per la formazione della memoria a lungo termine e la LTP in fase avanzata. L’inibizione HDAC può salvare deficit di memoria in alcuni ceppi di topi mutanti CBP,28, 68 ma il miglioramento della memoria e della plasticità mediante inibizione HDAC richiede CREB e l’interazione di CBP con CREB,70,84 che implica geni mediati da CREB come obiettivi di regolazione mediante modifica dell’istone in memoria. I cappelli strettamente correlati p300 e PCAF sono stati anche implicati nell’apprendimento e nella memoria, anche se i loro ruoli precisi e gli obiettivi della loro attività acetiltransferasi sembrano differire da quelli del CBP.85-88
Gli enzimi della deacetilasi dell’istone (HDAC) sono responsabili della rimozione dei gruppi acetilici dalle code dell’istone, agendo in opposizione ai cappelli. Attualmente esistono 18 enzimi HDAC identificati, suddivisi in quattro diverse classi in base alla sequenza e alla struttura. Nel SNC dei mammiferi, gli enzimi di classe I (HDAC1, HDAC2, HDAC3 e HDAC8) sono i più attivi nella regolazione della formazione della memoria, mentre altri sono coinvolti in diversi processi plastici come stress, depressione e dipendenza.89 Le prove a sostegno sono sia farmacologiche che genetiche. La sovraespressione di HDAC2 provoca una compromissione della memoria a lungo termine e LTP dell’ippocampo, mentre eliminarlo ha l’effetto inverso. La sovraespressione di HDAC1 non produce alcuna differenza nell’apprendimento o nella plasticità, indicando che HDAC2, ma non HDAC1, è particolarmente importante per la memoria.79 Nei topi, la delezione condizionale di HDAC3 nell’ippocampo dorsale migliora la memoria contestuale a lungo termine della paura,90 un effetto che è fenocopiato da una specifica inibizione farmacologica di HDAC3. L’infusione Intrahippocampal dell’inibitore specifico MS-275 di HDAC della classe I migliora la memoria a lungo termine per la posizione dell’oggetto; MS-275 inibisce preferenzialmente HDAC1 e HDAC2 su HDAC3 e HDAC8, che supporta l’importanza di HDAC2 in memoria.91 Gli enzimi HDAC non si legano direttamente al DNA, ma funzionano come parti di grandi complessi repressori multisubunitari.92 HDAC1 e HDAC2 possono essere trovati come parte dei complessi repressori Sin3a, NurD e Co-REST, mentre HDAC3 si trova con i co-repressori N-CoR e SMRT. Inoltre, il complesso co-repressore Sin3a interagisce sia con SMRT che con N-CoR, quindi HDAC2 e HDAC3 possono essere trovati insieme o separatamente nei promotori, aggiungendo un altro strato di complessità e specificità alla regolazione della modifica degli istoni.93 Resta ancora da vedere dove e quando i vari complessi co-repressori sono localizzati, e esattamente cosa li recluta. Sono stati identificati un gran numero di fattori di regolazione della trascrizione che potrebbero interagire e reclutare l’attività repressiva della deacetilasi, rendendo il puzzle di questi regolatori a monte dell’acetilazione dell’istone ancora più interessante e complicato.
Gli inibitori della deacetilasi dell’istone della Piccola molecola sono ora ampiamente disponibili e sono stati utilizzati in molti sistemi sperimentali. Questi farmaci appartengono a una varietà di famiglie chimiche e vantano vari gradi di specificità in cui gli enzimi HDAC si rivolgono.94 Gli esperimenti condotti in Aplysia hanno scoperto che il trattamento con trichostatin-A (TSA) ha migliorato la facilitazione a lungo termine.Nei roditori, la TSA e un altro inibitore dell’HDAC, il butirrato di sodio (NAB), aumentano la LTP nelle fette dell’ippocampo ex vivo69, 70 e la formazione di memoria in vivo dopo somministrazione sistemica.69 L’infusione di TSA direttamente nell’ippocampo migliora anche la memoria contestuale della paura, ma non la memoria a breve termine o la paura indipendente dall’ippocampo.70 Gli effetti di miglioramento della memoria degli inibitori di HDAC non sono limitati alla memoria contestuale e spaziale, che ci dice che l’inibizione di HDAC può facilitare l’iperacetilazione dell’istone nei processi di plastica al di fuori dell’ippocampo. Ad esempio, l’infusione di un inibitore HDAC direttamente nell’amigdala laterale migliora la memoria per l’associazione tono-footshock del condizionamento della paura cued e l’LTP nell’amigdala è anche potenziato dall’inibizione HDAC.95
I processi di memoria oltre all’acquisizione e al consolidamento sono influenzati anche dall’acetilazione degli istoni. La riconsolidazione, il fenomeno di una memoria consolidata che diventa temporaneamente labile quando viene richiamata, coinvolge molti degli stessi meccanismi molecolari del consolidamento iniziale, e l’estinzione, che è l’indebolimento di un’associazione precedentemente appresa, condivide molti meccanismi comportamentali e biochimici con l’acquisizione della memoria.96-100 La corteccia frontale svolge un ruolo importante nei processi di estinzione, ed è stato riportato che il trattamento sistemico con l’inibitore dell’HDAC acido valproico (VPA) aumenta l’estinzione della paura condizionata aumentando l’acetilazione delle regioni del promotore bdnf P1 e P4 (e quindi aumentando l’espressione di BDNF esone IV) nella corteccia prefrontale.I ricercatori di 101 hanno anche scoperto che l’amministrazione VPA facilita sia il riconsolidamento che l’estinzione di una memoria condizionata della paura, a seconda delle condizioni di recupero della memoria.102 L’ippocampo svolge anche un ruolo nell’apprendimento dell’estinzione, dimostrato dalla maggiore estinzione della memoria della paura che deriva dall’iniezione intrahippocampale dell’inibitore HDAC TSA prima del recupero della memoria.103 L’estinzione della memoria cued fear, che è amigdala-dipendente, è anche potenziata da un singolo trattamento con butirrato di sodio.104
Sebbene agenti altamente specifici siano attualmente in fase di sviluppo e abbiano visto un uso sperimentale limitato,78,90,91,105 la maggior parte degli inibitori HDAC comunemente usati (TSA, VPA, SAHA, NaB) influenzano un’ampia gamma di enzimi HDAC.94 Non si può sempre essere certi se gli effetti dell’inibizione dell’HDAC siano attribuibili all’acetilazione alterata delle proteine istoniche o non istone106; questi farmaci sono potenti strumenti nell’arsenale dello sperimentatore, ma tendono ad essere martelli piuttosto che bisturi fini. L’uso degli inibitori di HDAC ha fornito la prova potente che l’acetilazione dell’istone svolge un ruolo fondamentale nei processi normali di memoria e di plasticità. Ci hanno anche dimostrato che gli enzimi HDAC sono in grado di regolare negativamente la memoria, poiché l’apprendimento e la plasticità sono entrambi migliorati dalla loro inibizione.
La regolazione multifattoriale e multistrato dell’acetilazione degli istoni nei processi di memoria molecolare presenta difficoltà per la ricerca e sarà necessario un grande sforzo per sezionare i meccanismi che consentono le attività precise e opposte dei complessi HAT e HDAC. Questa complicazione presenta un gran numero di potenziali bersagli per la manipolazione farmacologica e genetica in attesa di essere sfruttata dagli sperimentatori. Altri enzimi che modificano l’istone, coinvolti nella fosforilazione e metilazione e implicati nella memoria, vengono trovati per interagire con i complessi contenenti HAT e HDAC. L’acetilazione dell’istone è importante ma, quando si tratta di memoria, è lontana dall’unico gioco in città. L’indagine dei dettagli dell’acetilazione dell’istone, insieme all’azione combinata e al cross-talk con le metiltransferasi complessate dell’istone e le istone chinasi, fornirà strade di indagine per gli anni a venire.