histone acetilarea
histone acetilarea este cel mai bine studiat dintre modificările cromatinei care au fost legate de învățare și de memorie.62 acest lucru are sens, deoarece acetilarea histonei este asociată cu transcrierea activă,18 și transcrierea activă a unui subset de gene este necesară atât pentru formarea memoriei, cât și pentru modificările pe termen lung ale plasticității sinaptice.63,64 Schmitt și Matthies65 au fost primii care au demonstrat schimbări în acetilare în creier după învățare. Folosind acetat radiomarcat, au arătat că acetilarea histonei după antrenamentul comportamental a fost reglată în sus în hipocamp, dar reglată în alte regiuni ale creierului. A fost nevoie de puțin peste două decenii pentru acetilarea histonei pentru a obține un alt aspect, de data aceasta în modelul clasic de invertebrate de învățare Aplysia californica66, unde facilitarea pe termen lung a rezistenței sinaptice ca răspuns la administrarea de 5-HT a crescut acetilarea histonei H3 și histonei H4.
în ultimul deceniu, acetilarea histonei a fost conectată în mod repetat la învățare și plasticitate atât în sistemele de modele de nevertebrate, cât și în cele de mamifere,iar acum se știe că este un mecanism vital care stă la baza atât a consolidării memoriei28, 67-70, cât și a potențării pe termen lung (LTP).69,70 schimbările în acetilarea histonei care însoțesc învățarea apar rapid, atingând un maxim de aproximativ 60 de minute după antrenament. Cu toate acestea, aceste schimbări globale în acetilarea histonei sunt relativ tranzitorii și revin la nivelurile inițiale cu 24 de ore după antrenament.69 evoluția în timp a acestor modificări în acetilarea histonei se potrivește foarte bine cu rolul propus în transcrierea genelor legate de memorie, care apar pe același interval de timp ca și valul inițial de transcriere care facilitează consolidarea memoriei și LTP.64,71-74
care sunt semnele specifice de acetilare a histonei care interacționează cu procesele de consolidare și plasticitate a memoriei? În Aplysia, facilitarea pe termen lung este asociată cu acetilarea histonei H3K14 și a histonei H4K8.66 constatările la modelele de rozătoare sunt mai variate. De exemplu, condiționarea contextuală a fricii crește histona H3, dar nu histona H4, acetilarea în zona hipocampului CA1, în timp ce antrenamentul de inhibare latentă are rezultatul opus.69 condiționarea fricii crește, de asemenea, expresia ARNm homer1 în hipocampus, care este însoțită de acetilarea crescută a histonei H3 la promotorul homer1, fără nicio modificare a acetilării histonei H4.75 un studiu privind îmbătrânirea și memoria a constatat că, la șoarecii tineri, condiționarea fricii a crescut acetilarea la H3 (K9 și K14) și H4 (K5, K8 și K12), în timp ce șoarecii bătrâni aveau deficiențe de memorie și aveau deficit de acetilare H4K12.76 formarea labirintului de apă Morris crește acetilarea H3 (K9 și K14), H4 (K12) și H2B, dar acetilarea H3 a fost găsită și într-o versiune cu platformă vizuală a acestei sarcini, indicând faptul că acetilarea H3 ar putea fi implicată în învățarea spațială mai pasivă77; un alt studiu a constatat că antrenamentul labirintului de apă crește acetilarea H3K18.78 de șoareci cu o ștergere a enzimei histone DEACETILAZĂ HDAC2 au avut memorie îmbunătățită și plasticitate sinaptică și au crescut acetilarea H4K5 și H4K12.79 în felii hipocampale, inducerea LTP prin stimularea forskolinei a crescut acetilarea H3K14.80 este clar că diferite paradigme de antrenament au dezvăluit că tiparele specifice de acetilare a histonei sunt asociate cu forme specifice de memorie și plasticitate, dar acetilarea resturilor de lizină ale histonei H3 sau histonei H4 sunt cele mai frecvent raportate modificări.
grupările Acetil sunt adăugate la reziduurile de lizină din coada histonei de către enzimele histone acetiltransferază (HAT). Proteina care leagă CREB, CBP, este un co-activator transcripțional cu activitate intrinsecă a pălăriei. CBP leagă CREB, un factor de transcripție care este un mediator bine cunoscut al transcripției genelor legate de memorie.81,82 multe grupuri au folosit instrumente genetice pentru a diseca rolul CBP în memorie și acum înțelegem că atât activitatea HAT68, cât și activitatea de legare a CREBULUI83 a CBP sunt importante pentru formarea memoriei pe termen lung și LTP în fază târzie. Inhibarea HDAC poate salva deficitele de memorie la unele tulpini de șoareci mutanți CBP, 28,68,dar îmbunătățirea memoriei și plasticității prin inhibarea HDAC necesită CREB și interacțiunea CBP cu CREB, 70, 84 care implică genele mediate de CREB ca ținte de reglare prin modificarea histonei în memorie. Pălăriile strâns legate p300 și PCAF au fost, de asemenea, implicate în învățare și memorie, deși rolurile lor precise și țintele activității lor de acetiltransferază par să difere de cele ale CBP.85-88
enzimele histone deacetilază (HDAC) sunt responsabile pentru îndepărtarea grupărilor acetil din cozile histonei, acționând în opoziție cu pălăriile. În prezent există 18 enzime HDAC identificate, împărțite în patru clase diferite bazate pe secvență și structură. La mamifere SNC, enzimele de clasa I (HDAC1, HDAC2, HDAC3 și HDAC8) sunt cele mai active în reglarea formării memoriei, în timp ce altele sunt implicate în diferite procese plastice, cum ar fi stresul, depresia și dependența.89 dovezile justificative sunt atât farmacologice, cât și genetice. Supraexprimarea HDAC2 are ca rezultat afectarea memoriei pe termen lung și LTP hipocampic, în timp ce eliminarea acesteia are efectul invers. Supraexprimarea HDAC1 nu produce diferențe în învățare sau plasticitate, indicând faptul că HDAC2, dar nu HDAC1, este deosebit de important pentru memorie.79 la șoareci, ștergerea condiționată a HDAC3 în hipocampul dorsal îmbunătățește memoria fricii contextuale pe termen lung, 90 un efect care este fenocopiat de inhibarea farmacologică specifică a HDAC3. Infuzia intrahipocampală a inhibitorului HDAC specific clasei I MS-275 îmbunătățește memoria pe termen lung pentru localizarea obiectului; MS-275 inhibă preferențial HDAC1 și HDAC2 față de HDAC3 și HDAC8, ceea ce susține importanța HDAC2 în memorie.91 enzimele HDAC nu se leagă direct de ADN, ci funcționează ca părți ale complexelor represoare mari, multisubunitare.92 HDAC1 și HDAC2 pot fi găsite ca parte a complexelor sin3a, NurD și co-REST repressor, în timp ce HDAC3 se găsește cu co-represorii n-CoR și SMRT. În plus, complexul co-represor Sin3a interacționează atât cu SMRT, cât și cu N-CoR, deci HDAC2 și HDAC3 pot fi găsite la promotori împreună sau separat, adăugând un alt strat de complexitate și specificitate la reglarea modificării histonei.93 rămâne de văzut unde și când sunt localizate diferitele complexe co-represoare și exact ce le recrutează. Au fost identificați un număr mare de factori de reglare a transcripției care ar putea interacționa și recruta activitatea represivă a deacetilazei, făcând puzzle-ul acestor regulatori din amonte de acetilare a histonei și mai interesant și complicat.
inhibitorii histonei deacetilazei cu molecule mici sunt acum disponibili pe scară largă și au fost utilizați în multe sisteme experimentale. Aceste medicamente aparțin unei varietăți de familii chimice și se mândresc cu diferite grade de specificitate în care enzimele HDAC sunt vizate.94 experimentele efectuate în Aplysia au constatat că tratamentul cu trichostatin-a (TSA) a îmbunătățit facilitarea pe termen lung.66 la rozătoare, TSA și un alt inhibitor HDAC, butiratul de sodiu (NaB), sporesc LTP în feliile hipocampale ex vivo69, 70 și formarea memoriei in vivo după administrarea sistemică.69 infuzia de TSA direct în hipocamp îmbunătățește, de asemenea, memoria contextuală a fricii, dar nu memoria pe termen scurt sau frica indusă independentă de hipocamp.70 efectele de îmbunătățire a memoriei inhibitorilor HDAC nu se limitează la memoria contextuală și spațială, ceea ce ne spune că inhibarea HDAC poate facilita hiperacetilarea histonei în procesele Plastice din afara hipocampului. De exemplu, infuzia unui inhibitor HDAC direct în amigdala laterală îmbunătățește memoria pentru asocierea ton-picior a condiționării fricii cued, iar LTP în amigdală este, de asemenea, îmbunătățită prin inhibarea HDAC.95
procesele de memorie pe lângă achiziție și consolidare sunt, de asemenea, influențate de acetilarea histonei. Reconsolidarea, fenomenul unei memorii consolidate devenind temporar labilă atunci când este amintită, implică multe dintre aceleași mecanisme moleculare ca consolidarea inițială, iar dispariția, care este slăbirea unei asociații învățate anterior, împărtășește multe mecanisme comportamentale și biochimice cu achiziția memoriei.96-100 cortexul frontal joacă un rol major în procesele de extincție și s-a raportat că tratamentul sistemic cu inhibitorul HDAC acid valproic (VPA) îmbunătățește dispariția fricii condiționate prin creșterea acetilare a regiunilor promotor bdnf P1 și P4 (și astfel creșterea expresiei BDNF exon IV) în cortexul prefrontal.101 cercetători au descoperit, de asemenea, că administrarea VPA facilitează atât reconsolidarea, cât și dispariția unei memorii de frică condiționată, în funcție de condițiile de recuperare a memoriei.102 hipocampul joacă, de asemenea, un rol în învățarea extincției, demonstrat de dispariția sporită a memoriei fricii care rezultă din injectarea intrahipocampală a inhibitorului HDAC TSA înainte de recuperarea memoriei.103 dispariția memoriei fricii cued, care este dependentă de amigdală, este, de asemenea, îmbunătățită printr-un singur tratament cu butirat de sodiu.104
deși agenții foarte specifici sunt în curs de dezvoltare și au cunoscut o utilizare experimentală limitată,78,90,91,105 majoritatea inhibitorilor HDAC utilizați în mod obișnuit (TSA, VPA, SAHA, NaB) afectează o gamă largă de enzime HDAC.94 nu poate fi întotdeauna sigur dacă efectele inhibării HDAC pot fi atribuite acetilării modificate a proteinelor histone sau non-histone106; aceste medicamente sunt instrumente puternice în arsenalul investigatorului, dar tind să fie mai degrabă baroase decât scalpele fine. Utilizarea inhibitorilor HDAC a furnizat dovezi puternice că acetilarea histonei joacă un rol esențial în procesele normale de memorie și plasticitate. Ei ne-au arătat, de asemenea, că enzimele HDAC sunt capabile să regleze negativ memoria, deoarece învățarea și plasticitatea sunt îmbunătățite prin inhibarea lor.
reglarea multifactorială, multistratificată a acetilării histonei în procesele de memorie moleculară prezintă dificultăți pentru cercetare și va fi necesar un efort mare pentru a diseca mecanismele care permit activitățile precise, opuse ale complexelor HAT și HDAC. Această complicație prezintă un număr mare de ținte potențiale pentru manipularea farmacologică și genetică care așteaptă să fie exploatate de experimentatori. Alte enzime modificatoare de histone, implicate în fosforilare și metilare și implicate în memorie, se constată că interacționează cu complexele care conțin HAT și HDAC. Acetilarea histonei este importantă, dar, când vine vorba de memorie, este departe de singurul joc din oraș. Investigarea detaliilor acetilării histonei, împreună cu acțiunea combinată și discuțiile încrucișate cu histone metiltransferaze complexe și histone kinaze, vor oferi căi de investigare pentru anii următori.