Histonacetylering
Histonacetylering är den bäst studerade av kromatin modifieringar som har kopplats inlärning och minne.62 Detta är vettigt, eftersom histonacetylering är associerad med aktiv transkription,18 och den aktiva transkriptionen av en delmängd av gener är nödvändig för både minnesbildning och långsiktiga förändringar i synaptisk plasticitet.63,64 Schmitt och Matthies65 var de första som demonstrerade förändringar i acetylering i hjärnan efter inlärning. Med hjälp av radioaktivt märkt acetat visade de att histonacetylering efter beteendeutbildning uppreglerades i hippocampus, men nedreglerades i andra hjärnregioner. Det tog lite över två decennier för histonacetylering att få ett nytt utseende, den här gången i den klassiska ryggradslösa modellen för att lära sig Aplysia californica66 där långsiktig underlättande av synaptisk styrka som svar på administrering av 5-HT ökade acetyleringen av histon H3 och histon H4.
under det senaste decenniet har histonacetylering upprepade gånger kopplats till inlärning och plasticitet i både ryggradslösa och däggdjursmodellsystem, och det är nu känt att det är en viktig mekanism som ligger till grund för både minneskonsolidation28,67-70 och långsiktig potentiering (LTP).69,70 förändringarna i histonacetylering som följer med inlärning sker snabbt och toppar ungefär 60 minuter efter träning. Dessa globala förändringar i histonacetylering är emellertid relativt övergående och återgår till baslinjenivåerna 24 timmar efter träning.69 tidsförloppet för dessa förändringar i histonacetylering sammanfaller mycket bra med deras föreslagna roll i transkription av minnesrelaterade gener, som uppträder på samma tidsskala som den initiala transkriptionsvågen som underlättar minneskonsolidering och LTP.64,71-74
vilka är de specifika histonacetyleringsmärkena som interagerar med processerna för minneskonsolidering och plasticitet? I Aplysia är långsiktig underlättande associerad med acetylering av histon H3K14 och histon H4K8.66 resultaten i gnagarmodeller är mer varierade. Till exempel ökar kontextuell rädsla konditionering Histon H3, men inte Histon H4, acetylering i hippocampalområdet CA1, medan latent hämningsträning har motsatt resultat.69 rädsla konditionering ökar också uttrycket av homer1 mRNA i hippocampus, som åtföljs av ökad Histon H3-acetylering hos homer1-promotorn utan förändring i acetylering av histon H4.75 en studie om åldrande och minne fann att rädsla för konditionering hos unga möss ökade acetylering vid H3 (K9 och K14) och H4 (K5, K8 och K12), medan gamla möss hade minnesförluster och var bristfälliga i h4k12-acetylering.76 Morris Water Maze-träning ökar acetyleringen av H3 (K9 och K14), H4 (K12) och H2B, men acetyleringen av H3 hittades också i en visuell plattformsversion av denna uppgift, vilket indikerar att H3-acetylering kan vara involverad i mer passiv rumslig lärande77; en annan studie visade att vattenlabyrintutbildning ökar h3k18-acetylering.78 möss med en deletion av histondeacetylasenzymet HDAC2 hade förbättrat minne och synaptisk plasticitet och ökad h4k5-och H4K12-acetylering.79 i hippocampala skivor ökade induktionen av LTP genom forskolin stimulering h3k14 acetylering.80 det är uppenbart att olika träningsparadigmer har avslöjat att specifika mönster för histonacetylering är associerade med specifika former av minne och plasticitet, men acetylering av histon H3 eller Histon H4-lysinrester är de vanligaste rapporterade modifieringarna.
acetylgrupper läggs till histonsvanslysinrester av histonacetyltransferas (HAT) enzymer. CREB-bindande protein, CBP, är en transkriptionell koaktivator med inneboende HATTAKTIVITET. CBP binder CREB, en transkriptionsfaktor som är en välkänd mediator för transkription av minnesrelaterade gener.81,82 många grupper har använt genetiska verktyg för att dissekera CBP: s roll i minnet, och vi förstår nu att både HATTAKTIVITETEN68 och CREB-bindande aktivitet83 av CBP är viktiga för långtidsminnesbildning och SENFAS LTP. HDAC-hämning kan rädda minnesunderskott i vissa stammar av CBP-mutanta möss, 28, 68 men förbättringen av minne och plasticitet genom HDAC-hämning kräver CREB och interaktionen mellan CBP och CREB,70,84 som implicerar CREB-medierade gener som mål för reglering genom histonmodifiering i minnet. De närbesläktade hattarna p300 och PCAF har också varit inblandade i inlärning och minne, även om deras exakta roller och målen för deras acetyltransferasaktivitet verkar skilja sig från CBP: s.85-88
histondeacetylas (HDAC) enzymer är ansvariga för avlägsnande av acetylgrupper från histonsvans, som verkar i motsats till hattarna. Det finns för närvarande 18 identifierade HDAC-enzymer, uppdelade i fyra olika klasser baserat på sekvens och struktur. I däggdjurs CNS är klass i-enzymerna (HDAC1, HDAC2, HDAC3 och HDAC8) de mest aktiva för att reglera minnesbildning, medan andra är involverade i olika plastprocesser såsom stress, depression och missbruk.89 de stödjande bevisen är både farmakologiska och genetiska. Överuttryck av HDAC2 resulterar i försämrat långtidsminne och hippocampal LTP, medan det slår ut det har den omvända effekten. Överuttryck av HDAC1 ger inga skillnader i inlärning eller plasticitet, vilket indikerar att HDAC2, men inte HDAC1, är särskilt viktigt för minnet.79 hos möss förbättrar villkorlig deletion av HDAC3 i dorsal hippocampus långsiktigt kontextuellt rädsleminne, 90 en effekt som fenokopieras av specifik farmakologisk hämning av HDAC3. Intrahippocampal infusion av klass i-specifik HDAC-hämmare MS-275 förbättrar långtidsminnet för objektplats; MS-275 hämmar företrädesvis HDAC1 och HDAC2 över HDAC3 och HDAC8, vilket stöder vikten av HDAC2 i minnet.91 HDAC-enzymerna binder inte direkt till DNA, utan fungerar som delar av stora, multisubenhetsrepressorkomplex.92 HDAC1 och HDAC2 kan hittas som en del av sin3a -, NurD-och Co-REST-repressorkomplexen, medan HDAC3 finns med medrepressorerna N-CoR och SMRT. Dessutom samverkar Sin3a-Co-repressorkomplexet med både SMRT och N-CoR, så HDAC2 och HDAC3 kan hittas hos promotorer tillsammans eller separat, vilket lägger till ytterligare ett lager av komplexitet och specificitet för reglering av histonmodifiering.93 det återstår att se var och när de olika Co-repressor-komplexen är lokaliserade och exakt vad som rekryterar dem. Ett stort antal transkriptionsreglerande faktorer har identifierats som kan interagera med och rekrytera repressiv deacetylasaktivitet, vilket gör pusslet för dessa uppströms regulatorer av histonacetylering ännu mer intressant och komplicerat.
småmolekylära histondeacetylashämmare är nu allmänt tillgängliga och har använts i många experimentella system. Dessa läkemedel tillhör en mängd olika kemiska familjer och har olika grader av specificitet där HDAC-enzymer de riktar sig mot.94 de experiment som utfördes i Aplysia fann att behandling med trichostatin-A (TSA) förbättrade långsiktig underlättande.66 hos gnagare, TSA och en annan HDAC-hämmare, natriumbutyrat (NaB), förbättrar LTP i ex vivo hippocampala skivor69, 70 och minnesbildning in vivo efter systemisk administrering.69 Infusion av TSA direkt i hippocampus förbättrar också kontextuell rädsla minne, men inte korttidsminne eller hippocampus-oberoende cued rädsla.70 de minnesförbättrande effekterna av HDAC-hämmare är inte begränsade till kontextuellt och rumsligt minne, vilket säger att HDAC-hämning kan underlätta Histon-hyperacetylering i plastprocesser utanför hippocampus. Till exempel förbättrar infusionen av en HDAC-hämmare direkt i lateral amygdala minnet för ton-fotshock-föreningen av cued fear conditioning, och LTP i amygdala förbättras också av HDAC-hämning.95
minnesprocesser förutom förvärv och konsolidering påverkas också av histonacetylering. Rekonsolidering, fenomenet att ett konsoliderat minne blir tillfälligt labilt när det återkallas, involverar många av samma molekylära mekanismer som den initiala konsolideringen, och utrotning, vilket är försvagningen av en tidigare lärd förening, delar många beteendemässiga och biokemiska mekanismer med minnesförvärv.96-100 frontal cortex spelar en viktig roll i utrotningsprocesser, och det har rapporterats att systemisk behandling med HDAC-hämmaren valproinsyra (VPA) förbättrar utrotning av konditionerad rädsla genom att öka acetylering av BDNF-promotorregioner P1 och P4 (och därmed öka uttrycket av BDNF exon IV) i prefrontal cortex.101 forskare fann också att VPA-administrering underlättar både rekonsolidering och utrotning av ett konditionerat rädsleminne, beroende på villkoren för minneshämtning.102 hippocampus spelar också en roll i utrotningsinlärning, vilket demonstreras av den förbättrade utrotningen av rädsla minne som härrör från intrahippocampal injektion av HDAC-hämmaren TSA före minneshämtning.103 utrotningen av cued fear-minne, som är amygdala-beroende, förbättras också genom en enda behandling med natriumbutyrat.104
även om mycket specifika medel för närvarande är under utveckling och har sett en viss begränsad experimentell användning,påverkar 78,90,91,105 de flesta av de vanliga HDAC-hämmarna (TSA, VPA, SAHA, NaB) ett brett spektrum av HDAC-enzymer.94 det kan inte alltid vara säkert om effekterna av HDAC-hämning kan hänföras till förändrad acetylering av histon eller icke-histonproteiner106; dessa läkemedel är kraftfulla verktyg i utredarens arsenal, men de tenderar att vara slädehammare snarare än fina skalpeller. Användningen av HDAC-hämmare har gett kraftfulla bevis för att histonacetylering spelar en central roll i normala processer av minne och plasticitet. De har också visat oss att HDAC-enzymer kan reglera minnet negativt, eftersom inlärning och plasticitet båda förbättras av deras hämning.
multifaktorn, flerskiktsreglering av histonacetylering i molekylära minnesprocesser ger svårigheter för forskning, och stor ansträngning kommer att krävas för att dissekera mekanismerna som möjliggör de exakta, motsatta aktiviteterna hos HAT-och HDAC-komplex. Denna komplikation presenterar ett stort antal potentiella mål för farmakologisk och genetisk manipulation som väntar på att utnyttjas av experimenter. Andra histonmodifierande enzymer, involverade i fosforylering och metylering och inblandade i minnet, befinns interagera med de HAT – och HDAC-innehållande komplexen. Histonacetylering är viktigt men när det gäller minne är det långt ifrån det enda spelet i stan. Undersökning av detaljerna i histonacetylering, tillsammans med den kombinerade verkan och korssamtal med komplexbildade histonmetyltransferaser och histonkinaser, kommer att ge möjligheter till utredning i många år framöver.