Regulación epigenética en el aprendizaje y la memoria

La “neuroepigenética” describe procesos de la memoria como consecuencia de cambios dependientes de la experiencia dinámica. Los mecanismos epigenéticos causan compactación y relajación  del ADN, lo cual provoca represión y activación transcripcional, respectivamente. La cromatina está hecha de unidades de histonas,  cada unidad está compuesta por 8 subunidades en el centro y el ADN a su alrededor.  Como 146 bps de ADN rodean a una histona, el ADN  compactado  es capaz  de encajar en el núcleo. La cromatina puede adoptar uno de dos estados  de  manera intercambiables: heterocromatina y eucromatina. La heterocromatina  tiene una forma compacta  que resiste la unión de varias proteínas, como la maquinaria transcripcional, lo cual resulta en represión transcripcional. Por el contrario, la eucromatina tiene una forma relajada abierta a modificaciones y procesos transcripcionales, los factores transcripcionales y otras proteínas pueden unirse a sus sitios de unión en el ADN y activar la transcripción.

El término epigenética fue acuñado por Waddington en 1942 y fue usado  para describir las “interacciones de genes con su ambiente que sacan a la luz el fenotipo en existencia”. Waddington usó inicialmente  el término epigenética para explicar el fenómeno por el cual ocurren cambios no codificados  en el ADN  de la célula durante el desarrollo en respuesta a estímulos ambientales. Entre ellos se incluyen cambios postmitóticos en las neuronas  que son usados para incorporar cambios dependientes de la experiencia. Uno de los primeros estudios  que demuestra la importancia de la relación entre epigenética y plasticidad sináptica es el de Kandel y colaboradores. Este estudio investigó  el efecto a largo plazo  de las señales excitadoras e inhibidoras en neuronas sensoriales de Aplisia. Los autores descubrieron  que el neurotransmisor facilitador serotonina (5-HT) activa la proteína de unión al elemento de respuesta del AMPc 1 (CREB1), lo cual causa acetilación de histonas. Por otra parte, el neurotransmisor inhibidor  FMRFa  causa activación de CREB2 y desacetilación de histonas. Estos resultados indican que la expresión de genes  y los cambios epigenéticos son requeridos para la plasticidad sináptica relacionada con la memoria a largo plazo en  la Aplisia. Entonces, las modificaciones epigenéticas son hechas independientemente de los cambios en la secuencia del genoma y provocan la creación del “epigenoma”. El epigenoma  subyace a los cambios  bioquímicos en respuesta a estímulos ambientales  y provoca la remodelación de la estructura de la cromatina. El término  remodelación de la cromatina se refiere principalmente  a los procesos  de transformación genómica dependientes de ATP por enzimas que cambian los nucleosomas, como el complejo SWI/SNF. Este cambio en la conformación genómica sugiere  una plataforma para varios procesos, como la exposición  del promotor  de un gen específico  a su maquinaria transcripcional. La remodelación de la cromatina, la metilación del ADN y las modificaciones post-translacionales (PTM)  de histonas  son importantes  procesos de la memoria a largo plazo. Hay muchos tipos  de modificaciones de histonas, como acetilación, metilación, fosforilación, ubiquitinación y ribosilación de ADP.

La memoria nos permite  adquirir nueva información  y almacenarla en el cerebro. Mientras la formación  y el desarrollo de la memoria requieren  muchos procesos a nivel celular, el “memory engram” puede ser considerado un rastro biológico de la memoria. Este término  acuñado por Richard Semon   denota la “base material hipotética de información  aprendida”. Las células que conforman el memory engram retienen cambios bioquímicos inducidos por el aprendizaje y sostienen la información hasta su recuperación posterior sobre la base de señales apropiadas. Después de la formación  de una memoria, ocurre una cadena de reacciones biológicas para su almacenamiento a largo plazo. Roberson y Sweatt describieron  estas reacciones  como “nemogénicas” e incluyen la síntesis de novo de proteínas y las modificaciones en las histonas del ADN, las cuales alteran químicamente el sistema biológico de la información adquirida. Otro aspecto importante de la memoria es el cambio  en la fuerza de la conexión sináptica. Este fenómeno es llamado potenciación de larga duración (LTP) y durante el mismo las conexiones sinápticas aumentan en fuerza y eficacia. La LTP tardía (L-LTP) es considerada la base celular para el almacenamiento de memoria. Bliss y Lomo describieron la LTP por primera vez en 1973 a través de un experimento que demostró que un tren de estimulación de alta frecuencia causa un incremento en la eficiencia  de la transmisión sináptica en el cerebro de conejo. Esta fuerza sináptica fue efectiva por varias horas  y requirió varios cambios biológicos. En el lado postsináptico, el glutamato  a través de receptores ácido α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolepropionico (AMPA) y N-metil-D-aspartato (NMDA) dispara la activación de la proteína dependiente  de Ca²⁺/calmodulina (CaMKII), la cual a su vez activa a la proteína quinasa A (PKA) y la proteína quinasa activada por mitogeno (MAPK). La MAPK activada induce la transcripción mediada por  CREB en el núcleo. El CREB es un factor de transcripción que puede provocar la síntesis de proteínas como BNDF y tirosina hidroxilasa. Los brotes rítmicos de actividad que inducen LTP remedan al ritmo teta que ocurre naturalmente en el hipocampo durante el aprendizaje. Varios estudios han demostrado que  la inyección de bloqueadores de  la LTP causa alteraciones  de las tareas dependientes del hipocampo. Hay dos tipos principales de memorias: memorias de corto plazo  que duran pocas horas y memorias de largo plazo que persisten por varios días o más tiempo. La formación de la memoria de largo plazo requiere una cascada de procesos necesarios para producir nuevos ARNm y proteínas relacionados con la plasticidad sináptica. Las conexiones sinápticas son continuamente estabilizadas durante la adultez. Por otra parte, las tasas de recambio de espinas dendríticas varían en las diferentes regiones del cerebro. Esto indica que las diferentes regiones del cerebro difieren en su capacidad para la plasticidad dependiente de la experiencia.  El hecho que la plasticidad de una neurona pueda ser alterada  por un largo tiempo puede explicarse  por la síntesis de nuevas proteínas  en el soma de la neurona. La transcripción activa  y la translación local  ayudan al mantenimiento de la LTP y la consolidación de la memoria.

Una memoria, para ser establemente almacenada  debe superar su vulnerabilidad  a las disrupciones externas. Después de la adquisición inicial, la memoria se transforma  de un estado transitorio en un estado estable  durante la “consolidación de la memoria”. Los cambios estructurales a nivel celular y de circuito  apoyan el almacenamiento de la memoria de largo plazo e involucran diferentes regiones y redes  del cerebro.  Cómo persiste la memoria por largo tiempo puede explicarse por mecanismos de regulación epigenética. La transición de la cromatina entre los dos estados  son gobernados principalmente  por metilación del ADN y PTM de histonas. Un estudio reciente en ratas indica  que la expresión del gen de la ADN metiltransferasa (DNMT) aumenta en el hipocampo después del temor condicionado. Los autores también encontraron que la metilación del gen de la proteína fosfatasa 1 (PP1), represor de la memoria, aumenta después del temor condicionado, mientras el gen de plasticidad sináptica reelin es desmetilado y transcripto. La metilación de ADN cortical  es importante para la formación de la memoria remota. Por ejemplo, el aumento de la metilación del gen supresor de memoria, calcineurina (CaN), en las neuronas corticales  persiste hasta por 30 días. La infusión  de inhibidores de la DNMT en la corteza del cíngulo  causa disrupción de la memoria  y reduce los niveles de metilación  de CaN. Estos resultados apoyan la idea  que los cambios epigenéticos, como la metilación de ADN inducida por la experiencia, representan rastros de memoria de larga duración.

La metilación de ADN ocurre en las bases citosina que están próximas a guanina (CpG) y regula los estados de transición de la cromatina. Durante la metilación  del ADN, la DNMT ayuda a la unión covalente de un grupo metilo de la S-adenosilmetionina  en la posición 5´ de citosina. La metilación de ADN reprime la transcripción inhibiendo la unión de la maquinaria transcripcional a los sitios de unión y a menudo es referida como un cambio inhibitorio que induce genes silentes. En las neuronas, la metilación de ADN puede persistir porque las neuronas maduras no se dividen. Más aún, si una citosina metilada es dañada, la nueva citosina es metilada para reconstruir  el cambio epigenético. Entonces, podemos decir que la metilación de ADN, como otros procesos  epigenéticos, se auto-perpetúa  a través de la actividad DNMT.  Hay abundante evidencia que la metilación del ADN es regulada de una manera dependiente de la experiencia por la actividad neural.  Un estudio en ratones que indica el compromiso de la metilación de ADN en la memoria dependiente de hipocampo, demuestra que la activación neuronal induce cambios suficientes en la metilación de ADN  de los genes relacionados con la memoria y el tratamiento con inhibidores de la DNMT inhibe la formación  de memoria y la inducción de plasticidad sináptica. Hay tres tipos de DNMT: DNMT1, DNMT3a y DNMT3b. Antes del descubrimiento de la actividad desmetilasa de las enzimas Tet, se pensaba que la metilación  de ADN es irreversible y que la desmetilación rara vez ocurre en neuronas maduras.  Sin embargo, esta idea resultó ser equivocada con la publicación de un trabajo  que demostró que las enzimas Tet tienen actividad desmetilasa y afectan la formación y estabilización  de la memoria.  Los ratones transgénicos “knockout” Tet1 tienen afectada la expresión de genes  y la extinción de la memoria. Adicionalmente, cuando se bloquea la metilación de ADN en la corteza del cíngulo, con drogas que inhiben la DNMT, 30 días después de la formación  de memoria, se afecta la memoria remota. Estos datos implican que la metilación y la desmetilación  de ADN tienen  roles importantes en el mantenimiento y la extinción de la memoria.

¿Cómo regula la transcripción de genes la metilación de ADN? Un par de grupos metilo en la ranura mayor del ADN bloquea factores de transcripción   a partir del reconocimiento de sus sitios de unión. La metilación de ADN también incrementa la compactación  de cromatina por enzimas que remodelan histonas. Las proteínas que remodelan histonas son atraídas a sitios metilados del ADN por proteínas con dominios de unión a CpG metiladas (MDB).  Las proteínas MBD reclutan corepresores  transcripcionales, como las desacetilasas de histonas, lo cual incrementa la carga positiva  del nucleosoma y transforma la estructura de la cromatina en  heterocromatina transcripcionalmente incompetente. Las mutaciones en las proteínas MBD pueden causar discapacidades en el desarrollo, como el síndrome de Rett, el cual es causado por una mutación  en la proteína MECP2.

La capacidad cognitiva tiende a disminuir con la edad. Un estudio reciente reporta  que el declive cognitivo  asociado con el envejecimiento es concomitante con una reducción en la expresión de DNMT3a2 en el hipocampo. Cundo los autores restauraron los niveles de DNMT3a2 en ratones envejecidos, la capacidad cognitiva  fue restaurada a niveles normales  en determinadas tareas. En otro estudio, el aprendizaje del temor causado por cambios en la metilación de ADN en diferentes regiones del cerebro, así como la expresión de DNMT3a y 3b en el hipocampo, aumentó  después del temor contextual condicionado.  En este contexto, el bloqueo farmacológico de DNMT resulta en alteración del temor contextual condicionado. Estos datos son bastante controversiales  porque la metilación de ADN es conocida por regular negativamente la memoria. Sin embargo, la evidencia reciente  sugiere que la metilación de ADN puede regular la memoria interactuando con la acetilación de histonas y cambiando sus niveles. La evidencia acumulada claramente indica que la formación de memoria  requiere la hipermetilación de genes supresores de memoria y la hipometilación de genes promotores  de memoria. Entonces, la metilación de ADN es dinámicamente regulada en los procesos de la memoria.

Además de la metilación de ADN, las PTM de histonas son también importantes para la geometría de la cromatina y la expresión de genes. Las cargas positivas de las histonas no modificadas promueven una fuerte interacción con  el ADN cargado negativamente y causan un estado transcripcionalmente desfavorable de la cromatina.  Sin embargo, las histonas experimentan modificaciones (acetilación, fosforilación y metilación) que alteran sus cargas y las propiedades de unión. La acetilación de histonas involucra a la enzima histona acetiltransferasa (HAT). Las histonas acetiladas actúan como sitios para  la maquinaria transcripcional. La fosforilación de histonas también está asociada con la activación transcripcional, mientras la metilación  de histonas puede promover  la  represión transcripcional. Las memorias dependientes del hipocampo recién formadas necesitan  ser estabilizadas en una traza de memoria persistente. Los ratones con niveles disminuidos de PP1 tienen un rendimiento  de memoria remota aumentado con un  incremento de las PTM de histonas. Esto sugiere que las PTM de histonas son importantes para la consolidación y retención de la memoria. En la medida que la memoria madura, aumentan los niveles de PTM de histonas asociadas con la región promotora  de Zif268, un gen involucrado  en la memoria,  y su expresión se desvía del hipocampo a la corteza prefrontal.  Estos datos  demuestran los importantes roles de las PTM de histonas  en diferentes regiones del cerebro  y cómo ellas facilitan  la consolidación de la memoria. El incremento en los niveles de acetilación de histonas por bloqueo de desacetilasas de histonas (HDAC) puede causar un aumento en el almacenamiento de la memoria. Por lo tanto, alteraciones en  las modificaciones de histonas  o la actividad de enzimas que modifican histonas, incluyendo la proteína de unión a CREB (CBP), afecta el almacenamiento de memoria. Las modificaciones de histonas pueden disparar la transcripción de los genes  de plasticidad que cambian la respuesta de neuronas individuales y regulan la conducta. Estos patrones  de modificaciones de histonas pueden alterar la estructura de la cromatina y su punto de contacto para las interacciones con proteínas transcripcionales.

Entre los diversos  tipos  de modificaciones de histonas, la acetilación  es uno de los mecanismos más estudiados. Se trata de  la adición de un grupo acetil  a una lisina presente  en el N-terminal  del nucleosoma, la unidad básica de empaquetamiento de ADN en las células eucarióticas. Por mucho tiempo ha sido aceptado que la acetilación de histonas provoca una neutralización de carga en el nucleosoma, lo cual a su vez causa facilitación transcripcional. Sin embargo, varios estudios indican que el reconocimiento de una lisina acetilada por proteínas transcripcionales  es más importante  que el cambio de carga. La acetilación de histona es rápida,  reversible y controlada por las actividades  de HAT y HDAC. Las HAT a menudo son coactivadores transcripcionales que contienen bromodominios mientras las HDAC son corepresores. Un bromodominio  comprende aproximadamente 110 aminoácidos y reconocen lisinas acetiladas en el  N-terminal de los extremos de las histonas.

Es bien conocido que la formación de la memoria de largo plazo requiere  de la síntesis de novo de proteínas. Está demostrado que hay períodos de tiempo críticos  de síntesis de proteínas después del aprendizaje, lo que indica que hay un tiempo limite para la expresión de genes en la consolidación de la memoria.  La evidencia acumulada indica que la acetilación de histonas  es importante para la persistencia de la memoria de largo plazo. Los inhibidores de HDAC, como tirosina A y butirato de sodio (NaBu) aumentan la LTP en el hipocampo y la consolidación de la memoria durante el temor condicionante contextual. La acetilación de histonas ocurre  en varias posiciones lisina  en la histona. Por lo tanto, es posible que las diversas formas de aprendizaje induzcan diferentes patrones  de acetilación  en promotores de genes específicos. De las tres principales clases  de HDAC, la HDAC2 regula negativamente la memoria  mientras las lesiones en el gen Hdac2 causan facilitación de la memoria. La CBP es un coactivador  transcripcional  que tiene actividad  HAT y es importante para la formación de la memoria a largo plazo. Las mutaciones en el gen  de la CBP pueden contribuir  a la patología del síndrome Rubinstein-Taybi, un desorden del neurodesarrollo  que se caracteriza por déficit cognitivo y microcefalia. El promotor  del gen que codifica al  BDNF es conocido por responder a cambios en la acetilación de histonas  después del aprendizaje. Un estudio reciente encontró que el temor condicionante  provoca un patrón distinto de acetilación  en las histonas H3 y H4  alrededor  de las regiones promotores  del gen bdnf.

La estructura de la cromatina también es regulada  a través de la metilación  de histonas. Aunque la metilación  generalmente es considerada como un marcador silente  de la transcripción, la metilación de histonas  también puede inducir la activación transcripcional. La lisina puede ser mono, di y tri metilada. La di y tri-metilación de la histona H3 en  lisina 9 (H3K9) está relacionada con represión transcripcional, mientras  la metilación de histona H3 en lisina 4 (H3K4) está asociada con activación transcripcional. Tanto la expresión como la represión de genes  a través de la metilación de histonas son necesarias para la formación de memoria. La metilación de histonas es controlada por enzimas llamadas histona metiltransferasas e histona desmetilasas. Las histonas metiltransferasas pertenecen a una de tres familias de enzimas: PRMT1 arginina metiltransferasa, histona metiltransferasas dominio SET y DOT/DOT1L metiltransferasas no dominio SET. La metilación de histonas puede ocurrir  en los residuos arginina y lisina, pero la metilación de lisina en las histonas H3 y H4 es la más estudiada. El tratamiento con NaB, inhibidor de HDAC, induce un aumento en la metilación de histonas en el hipocampo. Esto sugiere un vinculo funcional entre metilación de histona y acetilación de histonas durante la consolidación de la memoria. Los ratones deficientes en el gen histona-metiltransferasa mieloide/linfoide en neuronas excitadoras adultas  muestran alteraciones  en las tareas de la memoria dependiente del hipocampo. La regulación bidireccional  de la transcripción basada en el contexto celular  y la cantidad de grupos metilos separa la metilación de histonas de otras modificaciones epigenéticas como la metilación de ADN y la acetilación de histonas, las cuales promueven principalmente una dirección de la transcripción.

Está claro que la regulación transcripcional involucra interacciones activas entre los factores de transcripción y la cromatina. La estructura de la cromatina es  dinámica y controla  procesos celulares, incluyendo la expresión de genes. Los cambios que resultan de la remodelación de la cromatina  han recibido considerable atención  en asociación  con la expresión de genes y los procesos de la memoria. Los resultados apoyan la idea que la cromatina actúa  como una dinámica plataforma de señal a través  de modificaciones  de histonas. El extremo N-terminal  de las histonas sujetas a modificaciones post-translacionales crea un estado para interacciones dinámicas  entre las histonas y las modificaciones en el ADN y las posibilidades combinatorias para la regulación de genes. La estructura de la cromatina es modificada a través de dos mecanismos. (1) Ruptura de las interacciones entre nucleosomas. (2) Reclutamiento de factores en los nucleosomas. Hay varios tipos de enzimas que modifican histonas incluyendo acetiltransferasas, metiltransferasas, serina/treonina quinasas, ubiquitina ligasas y prolina isomerasas. Las metiltransferasa y las quinasas son las más estudiadas de las enzimas que modifican histonas. El aprendizaje y los procesos de la memoria están asociados  con la remodelación de la cromatina.

En conclusión, la formación y el mantenimiento de la memoria  son controlados por procesos complejos que ocurren en diferentes niveles. Entre estos procesos, la regulación de la expresión de genes  es especialmente crucial  para la memoria.  Algunos genes necesitan ser activados mientras otros deben ser suprimidos. La regulación epigenética  del genoma  involucra procesos  como metilación de ADN y modificaciones post-translacionales  de histonas. Estos procesos editan propiedades genómicas o interacciones  entre el genoma y las histonas e inducen cambios estructurales en la cromatina y provocan cambios transcripcionales de diferentes genes. La remodelación de la cromatina es un importante proceso en el aprendizaje y la memoria que consiste en cambios estructurales en la cromatina en relación con la regulación de genes. Las modificaciones post-translacionales de histonas incluyen la metilación, la acetilación y la fosforilación. Estas modificaciones covalentes  afectan la remodelación física de la estructura de la cromatina  o regulan el reclutamiento  de señales complejas  que activan o reprimen la transcripción de genes. Las modificaciones en las histonas y la remodelación de la cromatina son críticas para la expresión de genes durante los procesos de memoria. Aproximadamente 1-4% del ADN del genoma de mamíferos  consiste de dinucleótidos CpG y aproximadamente 75% de estos dinucleótidos  son metilados.

Fuente: Kim S y Kaang BK (2017). Epigenetic regulation and chromatin remodeling in learning and memory. Experimental & Molecular Medicine 49: e281.