Acetylacja histonów
acetylacja histonów jest najlepiej zbadaną modyfikacją chromatyny, która została połączona z uczeniem się i pamięcią.Ma to sens, ponieważ acetylacja histonów wiąże się z aktywną transkrypcją,18 a aktywna transkrypcja podzbioru genów jest niezbędna zarówno do tworzenia pamięci, jak i długotrwałych zmian plastyczności synaptycznej.63,64 Schmitt i Matthies65 jako pierwsi wykazali zmiany acetylacji w mózgu po uczeniu się. Używając radioaktywnie znakowanego octanu, wykazali, że acetylacja histonów po treningu behawioralnym była regulowana w hipokampie, ale regulowana w innych regionach mózgu. Trochę ponad dwie dekady zajęło acetylowanie histonów, aby uzyskać inne spojrzenie, tym razem w klasycznym modelu bezkręgowców uczenia się aplysia californica66, gdzie długoterminowe ułatwienie siły synaptycznej w odpowiedzi na podanie 5-HT zwiększyło acetylację histonu H3 i histonu H4.
w ciągu ostatniej dekady acetylacja histonów była wielokrotnie związana z uczeniem się i plastycznością zarówno w modelach bezkręgowców, jak i ssaków, i obecnie wiadomo,że jest istotnym mechanizmem leżącym u podstaw zarówno konsolidacji pamięci28, 67-70, jak i długotrwałego wzmocnienia (LTP).69,70 zmiany acetylacji histonów towarzyszące uczeniu się zachodzą szybko, osiągając szczyt po około 60 minutach po treningu. Jednak te globalne zmiany acetylacji histonów są stosunkowo przejściowe i powracają do wartości wyjściowych po 24 godzinach po treningu.Przebieg czasowy tych zmian w acetylacji histonów bardzo dobrze współgra z ich proponowaną rolą w transkrypcji genów związanych z pamięcią, występującą w tej samej skali czasowej co początkowa fala transkrypcji, która ułatwia konsolidację pamięci i LTP.64,71-74
Jakie są specyficzne znaki acetylacji histonów, które oddziałują z procesami konsolidacji pamięci i plastyczności? W przypadku Aplysji długotrwałe ułatwienie związane jest z acetylacją histonów h3k14 i histonów h4k8.66 wyniki badań na modelach gryzoni są bardziej zróżnicowane. Na przykład uwarunkowanie lęku kontekstowego zwiększa Histon H3, ale nie Histon H4, acetylację w obszarze hipokampa CA1, podczas gdy utajone hamowanie ma odwrotny skutek.Warunkowanie lęku zwiększa również ekspresję mRNA homer1 w hipokampie, któremu towarzyszy zwiększona acetylacja histonu H3 w promotorze homer1 bez zmiany acetylacji histonu H4.Badania nad starzeniem się i pamięcią wykazały, że u młodych myszy uwarunkowanie strachu zwiększyło acetylację W H3 (K9 i K14) i H4 (K5, K8 i K12), podczas gdy stare myszy miały zaburzenia pamięci i miały niedobór acetylacji H4K12.76 Szkolenie Morris Water Maze zwiększa acetylację H3 (K9 i K14), H4 (K12) i H2B, ale acetylację H3 stwierdzono również w wersji z platformą wizualną tego zadania, co wskazuje, że acetylacja H3 może być zaangażowana w bardziej pasywne uczenie się przestrzenne77; inne badanie wykazało, że trening w labiryncie wodnym zwiększa acetylację H3K18.78 myszy z delecją enzymu deacetylazy HISTONOWEJ HDAC2 miało zwiększoną pamięć i plastyczność synaptyczną oraz zwiększoną acetylację H4K5 i H4K12.W plastrach hipokampa indukcja LTP przez stymulację forskoliny zwiększała acetylację H3K14.Oczywiste jest, że różne paradygmaty treningowe ujawniły, że specyficzne wzorce acetylacji histonów są związane ze specyficznymi formami pamięci i plastyczności, ale acetylacja reszt lizyny histonu H3 lub histonu H4 są najczęściej zgłaszanymi modyfikacjami.
grupy Acetylowe są dodawane do reszt lizyny ogonowej przez enzymy acetylotransferazy histonowej (HAT). Białko wiążące CREB, CBP, jest transkrypcyjnym koaktywatorem o wewnętrznej aktywności HAT. CBP wiąże CREB, czynnik transkrypcyjny, który jest dobrze znanym mediatorem transkrypcji genów związanych z pamięcią.81,82 wiele grup wykorzystało narzędzia genetyczne do analizy roli CBP w pamięci, a teraz rozumiemy, że zarówno aktywność HAT 68, jak i aktywność wiążąca CREB83 CBP są ważne dla tworzenia pamięci długotrwałej i późnej fazy LTP. Hamowanie HDAC może uratować deficyty pamięci u niektórych szczepów zmutowanych myszy CBP,28,68, ale wzmocnienie pamięci i plastyczności przez hamowanie HDAC wymaga CREB i interakcji CBP z CREB, 70, 84, co implikuje geny mediowane przez CREB jako cele regulacji przez modyfikację histonów w pamięci. Blisko spokrewnione Kapelusze p300 i PCAF były również zaangażowane w uczenie się i pamięć, chociaż ich dokładne role i cele ich aktywności acetylotransferazy wydają się różnić od tych, które mają CBP.85-88
enzymy deacetylazy histonowej (HDAC) są odpowiedzialne za usuwanie grup acetylowych z ogonów histonowych, działając w opozycji do kapeluszy. Obecnie istnieje 18 zidentyfikowanych enzymów HDAC, podzielonych na cztery różne klasy w zależności od sekwencji i struktury. W ssaczym OUN enzymy klasy i (HDAC1, HDAC2, HDAC3 i HDAC8) są najbardziej aktywne w regulacji tworzenia pamięci, podczas gdy inne są zaangażowane w różne procesy plastyczne, takie jak stres, depresja i uzależnienie.Dowody potwierdzające są zarówno farmakologiczne, jak i genetyczne. Nadekspresja HDAC2 powoduje upośledzenie pamięci długotrwałej i hipokampa LTP, podczas gdy wybicie jej ma efekt odwrotny. Nadekspresja HDAC1 nie powoduje żadnych różnic w uczeniu się ani plastyczności, co wskazuje, że HDAC2, ale nie HDAC1, jest szczególnie ważne dla pamięci.U myszy warunkowa delecja HDAC3 w hipokampie grzbietowym wzmacnia długotrwałą pamięć kontekstową strachu,90 efekt, który jest fenokopiowany przez specyficzne farmakologiczne hamowanie HDAC3. Intrahippocampal infusion of the class I-specific HDAC inhibitor MS-275 enhancements long-term memory for object location; MS-275 preferencyjnie hamuje HDAC1 i HDAC2 w stosunku do HDAC3 i HDAC8, co wspiera znaczenie HDAC2 w pamięci.91 enzymy HDAC nie wiążą się bezpośrednio z DNA, ale funkcjonują jako części dużych kompleksów represyjnych.92 HDAC1 i HDAC2 można znaleźć jako część kompleksów represorów sin3a, NurD i Co-REST, podczas gdy HDAC3 znajduje się ze współresorami N-CoR i SMRT. Dodatkowo, sin3a co-represor complex oddziałuje zarówno z SMRT jak i N-CoR, więc HDAC2 i HDAC3 można znaleźć w promotorach razem lub osobno, dodając kolejną warstwę złożoności i swoistości do regulacji modyfikacji histonów.93 pozostaje jeszcze zobaczyć, gdzie i kiedy zlokalizowane są różne kompleksy współpresorów i co dokładnie je rekrutuje. Zidentyfikowano dużą liczbę czynników regulujących transkrypcję, które mogą oddziaływać i rekrutować represyjną aktywność deacetylazy, co czyni zagadkę tych regulatorów acetylacji histonów jeszcze bardziej interesującą i skomplikowaną.
małocząsteczkowe inhibitory deacetylazy histonowej są obecnie szeroko dostępne i były stosowane w wielu systemach eksperymentalnych. Leki te należą do różnych rodzin chemicznych i charakteryzują się różnym stopniem specyficzności, w którym enzymy HDAC są celowane.94 eksperymenty przeprowadzone w Aplysia wykazały, że leczenie trichostatyną-a (TSA) zwiększyło długoterminowe ułatwienie.U gryzoni, TSA i inny inhibitor HDAC, maślan sodu (NaB), nasilają LTP in ex vivo w plastrach hipokampu69,70 i tworzenie pamięci in vivo po podaniu ogólnoustrojowym.Infuzja TSA bezpośrednio do hipokampa zwiększa również pamięć kontekstową strachu, ale nie pamięć krótkotrwałą lub niezależny od hipokampa strach.Działanie wzmacniające pamięć inhibitorów HDAC nie ogranicza się do pamięci kontekstowej i przestrzennej, co mówi nam, że hamowanie HDAC może ułatwić hiperacetylację histonów w procesach plastycznych poza hipokampem. Na przykład, wlew inhibitora HDAC bezpośrednio do bocznego ciała migdałowatego zwiększa pamięć skojarzenia tone-footshock warunkującego lęk wywołany, a LTP w ciele migdałowatym jest również wzmocnione przez hamowanie HDAC.Na procesy pamięciowe oprócz akwizycji i konsolidacji wpływa także acetylacja histonów. Rekonsolidacja, zjawisko skonsolidowanej pamięci, która staje się chwilowo niestabilna, gdy jest przywoływana, obejmuje wiele tych samych mechanizmów molekularnych, co początkowa konsolidacja, a wymieranie, które jest osłabieniem wcześniej wyuczonego skojarzenia, dzieli wiele mechanizmów behawioralnych i biochemicznych z nabywaniem pamięci.96-100 kora czołowa odgrywa główną rolę w procesach wymierania, a doniesiono, że leczenie ogólnoustrojowe inhibitorem HDAC kwasem walproinowym (VPA) zwiększa wymieranie uwarunkowanego strachu poprzez zwiększenie acetylacji regionów promotora BDNF P1 i P4 (i tym samym zwiększenie ekspresji egzonu IV BDNF) w korze przedczołowej.101 naukowców odkryło również, że podawanie VPA ułatwia zarówno rekonsolidację, jak i wygaszenie uwarunkowanej pamięci strachu, w zależności od warunków odzyskiwania pamięci.102 hipokamp odgrywa również rolę w uczeniu się wymierania, czego dowodem jest zwiększone wymieranie pamięci strachu, które wynika z iniekcji wewnątrzczaszkowej inhibitora HDAC TSA przed pobraniem pamięci.103 zanik pamięci budzącej strach, która jest zależna od ciała migdałowatego, jest również wzmocniony przez pojedyncze leczenie maślanem sodu.
chociaż wysoce specyficzne środki są obecnie opracowywane i mają ograniczone zastosowanie eksperymentalne,78,90,91,105 większość powszechnie stosowanych inhibitorów HDAC (TSA, VPA, SAHA, NaB) wpływa na szeroką gamę enzymów HDAC.Nie zawsze można mieć pewność, czy skutki hamowania HDAC można przypisać zmianie acetylacji histonów lub Protein nie będących histonami106; leki te są potężnymi narzędziami w arsenale badacza, ale zwykle są raczej młotami kowalskimi niż drobnymi skalpelami. Zastosowanie inhibitorów HDAC dostarczyło mocnych dowodów na to, że acetylacja histonów odgrywa kluczową rolę w normalnych procesach pamięci i plastyczności. Pokazali nam również, że enzymy HDAC są w stanie negatywnie regulować pamięć, ponieważ uczenie się i plastyczność są wzmacniane przez ich hamowanie.
wieloczynnikowa, wielowarstwowa Regulacja acetylacji histonów w procesach pamięci molekularnej stwarza trudności w badaniach i będzie wymagał wielkiego wysiłku, aby przeanalizować mechanizmy umożliwiające precyzyjne, przeciwstawne działanie kompleksów HAT i HDAC. Komplikacja ta przedstawia dużą liczbę potencjalnych celów manipulacji farmakologicznej i genetycznej czekających na wykorzystanie przez eksperymentatorów. Stwierdzono, że inne enzymy modyfikujące histony, zaangażowane w fosforylację i metylację oraz zaangażowane w pamięć, oddziałują z kompleksami zawierającymi Hat i HDAC. Acetylacja histonów jest ważna, ale jeśli chodzi o pamięć, jest daleka od jedynej gry w mieście. Badanie szczegółów acetylacji histonów, wraz z połączonym działaniem i rozmową krzyżową ze skompleksowanymi metylotransferazami histonowymi i kinazami histonowymi, zapewni możliwości dochodzenia przez wiele lat.