Epigenetyczna regulacja neurogenezy

Epigenetyczna regulacja neurogenezy to rola, jaką epigenetyka (właściwości dziedziczne, które nie obejmują zmian w sekwencji DNA) odgrywa w regulacji neurogenezy (produkcji neuronów z nerwowych komórek macierzystych ).

Epigenetyka to nauka o dziedzicznych zmianach w ekspresji genów , które nie wynikają z modyfikacji sekwencji DNA . Neurogeneza jest mechanizmem proliferacji i różnicowania neuronów . Pociąga to za sobą wiele różnych złożonych procesów, które są zależne od czasu i kolejności.

Procesy takie jak proliferacja neuronów, specyfikacja losu, różnicowanie, dojrzewanie i funkcjonalna integracja nowonarodzonych komórek z istniejącymi sieciami neuronowymi są ze sobą powiązane. W ostatniej dekadzie ^{[ kiedy? ] Wykazano,} że wiele epigenetycznych mechanizmów regulacyjnych odgrywa dużą rolę w ustalaniu czasu i określaniu linii nerwowych komórek macierzystych .

Mechanizmy

Mechanizmy epigenetyczne

Trzy ważne metody regulacji epigenetycznej obejmują modyfikację histonów , metylację i demetylację DNA oraz ekspresję mikroRNA ( miRNA ). Histony utrzymują szczelnie upakowane DNA komórki eukariotycznej poprzez interakcje ładunków między ładunkiem dodatnim na ogonie histonowym a ładunkiem ujemnym DNA, a także między ogonami histonowymi pobliskich nukleosomów . Chociaż istnieje wiele różnych typów modyfikacji histonów, w epigenetyce neuronowej zbadano dwa podstawowe mechanizmy: metylację histonów i acetylację histonów . W pierwszym przypadku grupy metylowe są dodawane lub usuwane z histonu, zmieniając jego strukturę i odsłaniając chromatynę , co prowadzi do aktywacji lub dezaktywacji genów . W tym drugim przypadku acetylacja histonów powoduje luźniejsze utrzymywanie DNA przez histony, co pozwala na większą aktywację genów. Metylacja DNA, w której grupy metylowe są dodawane do reszt cytozyny lub adenozyny w DNA, jest trwalszą metodą inaktywacji genów niż modyfikacja histonów, chociaż w niektórych przypadkach jest nadal odwracalna. MikroRNA to mała forma niekodującego RNA (ncRNA), które często działają jako mechanizmy „dostrajające” ekspresję genów poprzez represję lub indukcję informacyjnego RNA (mRNA) w komórkach nerwowych, ale mogą również działać bezpośrednio z czynnikami transkrypcyjnymi , kierując neurogenezą.

Neurogeneza embrionalna

Modyfikacje histonów

Nerwowe komórki macierzyste są zaangażowane w rozwój kory mózgowej w precyzyjny sposób „na lewą stronę” ze starannie kontrolowanymi mechanizmami synchronizacji. Wcześnie urodzone neurony tworzą głębokie warstwy w korze, podczas gdy nowsze neurony tworzą górne warstwy. Ten program czasowy jest widoczny zarówno in vitro, jak i in vivo. Analiza mutantów wykazała, że metylacja histonów moduluje produkcję neuronów warstwy głębokiej i warstwy górnej poprzez regulację epigenetyczną. Konkretnie, delecja części kompleksu PRC2 , Ezh2 , kodującego metylotransferazę histonową , doprowadziła do dwukrotnej redukcji neuronów górnej warstwy wyrażających POU3F2 /BRN2 i wyrażających SATB2 bez wpływu na liczbę neuronów w warstwach V i VI. W prekursorach nerwowych pochodzących z embrionalnych komórek macierzystych myszy zwiększona acetylacja histonów indukowana przez kwas walproinowy , inhibitor deacetylazy histonowej (HDAC) , nie tylko indukowała różnicowanie neuronów, ale także selektywnie wzbogacała populację neuronów górnej warstwy. Dlatego zaproponowano, że hamowanie HDAC sprzyja postępowi różnicowania neuronów, prowadząc do zmiany losu z komórek progenitorowych wytwarzających warstwy głębokie na komórki progenitorowe warstw wyższych. Jednak przyczyny tego selektywnego różnicowania i kontroli czasu w wyniku hamowania HDAC nie są jeszcze w pełni zrozumiałe.

Metylacja DNA

Krytyczny charakter metylacji DNA dla kortykogenezy wykazano w eksperymentach z nokautem na myszach. Kiedy DNMT 3b i DNMT1 były ablowane oddzielnie w zarodkach myszy, umierały one z powodu upośledzenia rozwoju cewy nerwowej . Wyciszenie DNMT3a nie spowodowało śmiertelności embrionów, ale spowodowało poważne szkody w neurogenezie poporodowej. Wynika to głównie z czasu, w którym te mechanizmy epigenetyczne są aktywne. DNMT3b ulega ekspresji we wczesnych progenitorowych komórkach nerwowych i zmniejsza się wraz z postępem rozwoju neuronalnego, a DNMT3a jest ledwo wykrywalny aż do 10 dnia embrionalnego (E.10). Jednak w E.10 ekspresja DNMT3a znacznie wzrasta od E13.5 i dobrze w wieku dorosłym. W przodomózgowiu po urodzeniu DNMT3a ulega ekspresji w strefie podkomorowej (SVZ) i zakręcie zębatym hipokampa , głównych lokalizacjach neurogenezy dorosłych. Utrata DNMT3a w pourodzeniowych progenitorowych komórkach nerwowych prowadzi do regulacji w dół genów neuronalnych, takich jak Dlx2 , Neurog2 i Sp8 ; ale regulacja w górę genów zaangażowanych w astrogleju i oligodendrogleju , co wskazuje na rolę w zmianie losu komórki z neurogenezy na gliogenezę . Demetylacja DNA, a także metylacja niektórych genów pozwala na przebieg neurogenezy w sposób zależny od czasu. Jednym z takich genów jest Hes5 , hipermetylowany w zarodkach E7.5, ale całkowicie zdemetylowany przez E9.5, który jest jednym z docelowych genów w szlaku sygnałowym Notch . GCM1 i GCM2 demetylują Hes5 , umożliwiając mu reagowanie na sygnalizację NOTCH i inicjowanie wytwarzania nerwowych komórek macierzystych. Innym przykładem jest Gfap , który jest wymagany do różnicowania astrocytów. Zdolność do różnicowania się w komórki glejowe jest tłumiona w nerwowych komórkach macierzystych z przeznaczeniem komórek neuronalnych. Ta represja jest w dużej mierze spowodowana brakiem reakcji nerwowych komórek macierzystych na stymulację indukującą astrocyty. Nerwowe komórki macierzyste nie reagują z powodu hipermetylowanego DNA w regionach promotorowych genów astrocytów, takich jak Gfap . Miejsce wiązania STAT3 w regionie promotora Gfap jest hipermetylowane w E11.5 i ledwo tak w E14.5, w którym to momencie jest w stanie odbierać stymulacje indukujące astrocyty i rozpocząć indukowane cytokinami różnicowanie astrocytów.

miRNA

Mechanizm miRNA

Badania przeprowadzone przez De Pietri Tonelli i Kawase-Koga wykazały, że warunkowy nokaut Dicer , enzymu szeroko stosowanego do syntezy miRNA, w korze nowej myszy spowodował zmniejszenie rozmiaru kory, zwiększoną apoptozę neuronów i niedobór warstw kortyzolu. Komórki neuroepitelialne i komórki neuroprogenitorowe nie zostały dotknięte aż do E.14, kiedy to również przeszły apoptozę. Nie pokazuje to, które miRNA były odpowiedzialne za różne czynniki, na które wpływ miały, ale pokazuje, że istnieje specyficzny dla etapu wymóg ekspresji miRNA w rozwoju korowym. miR-124 , najobficiej występujący mikroRNA w ośrodkowym układzie nerwowym, kontroluje progresję linii neuronalnych komórek progenitorowych strefy podkomorowej do neuroblastów poprzez hamowanie produkcji białka przez ukierunkowanie na Sox9 . Innym ważnym graczem mikroRNA jest miR-9/9*. Wykazano, że w neurogenezie embrionalnej miR-9 reguluje różnicowanie neuronów i samoodnawianie. Ektopowa ekspresja miR-9 w rozwijającej się korze myszy doprowadziła do przedwczesnego różnicowania neuronów i zakłóciła migrację nowych neuronów poprzez celowanie w Foxg1 .

Wbrew poglądowi, że mikroRNA to tylko mechanizmy dostrajające, ostatnie badania wykazały, że miR-9 i miR-124 mogą działać razem, kierując fibroblasty do komórek nerwowych. Czynniki transkrypcyjne i geny regulatorowe, takie jak Neurod1 , Ascr1 i Myt1l , które wcześniej uważano za odpowiedzialne za to zjawisko, nie transformowały ludzkich fibroblastów pod nieobecność miR-9 i miR-124, ale w obecności mikroRNA i przy braku czynników transkrypcyjnych transformacja ludzkich fibroblastów przebiegała, aczkolwiek w mniej wydajny sposób.

Neurogeneza dorosłych

Metylacja DNA

Neurogeneza trwa po rozwoju przez całe dorosłe życie. Zatrzymanie wzrostu i indukowane uszkodzeniem DNA, beta (GADD45b) jest wymagane do demetylacji promotorów krytycznych genów odpowiedzialnych za rozwój nowo narodzonych neuronów, takich jak czynnik neurotroficzny pochodzenia mózgowego (BDNF) i podstawowy czynnik wzrostu fibroblastów (FGF2). Jako taka, regulacja w górę GADD45b prowadzi do zwiększonej demetylacji, zwiększonego BDNF i FGF2, a ostatecznie większej liczby neuronalnych komórek progenitorowych.

Modyfikacje histonów poprzez acetylację

Acetylacja , deacetylacja histonów , a także hamowanie mechanizmów deacetylacji histonów również odgrywają dużą rolę w proliferacji i samoodnawianiu poporodowych nerwowych komórek macierzystych. DNA , które koduje geny w genomie, w tym te zaangażowane w neurogenezę dorosłych, jest pakowane w chromatynę . Sama chromatyna składa się z nukleosomów , z których każda składa się z dwóch kopii białek histonowych H2A , H2B , H3 i H4 . Jedną z głównych ról, jakie odgrywa acetylacja w regulacji ekspresji genów, jest hamowanie interakcji sąsiednich nukleosomów. Gdy histony H4 nie są acetylowane, mają charakter zasadowy i wstawiają się do kwaśnej kieszeni dimerów białek H2A-H2B w sąsiednich nukleosomach, co prowadzi do ścisłego połączenia między nukleosomami i dalszego upakowania chromatyny. Zatem acetylacja powoduje utratę zasadowości histonu H4 i zapobiega sieciowaniu nukleosomów. Ta acetylacja ogonów histonów dodatkowo zwiększa powinowactwo kompleksów enzymów przebudowujących chromatynę, takich jak SWI – SNF i ISWI, które wykorzystują ATP do wytwarzania regionów wolnych od nukleosomów w miejscach promotora i wzmacniacza. Pozwala to na większą zdolność rozpoznawania tych miejsc przez czynniki transkrypcyjne, zwłaszcza TFIID , który jest głównym czynnikiem transkrypcyjnym biorącym udział w inicjacji transkrypcji . Co więcej, acetylacja lizyny na ogonach histonów może być rozpoznana przez składnik TAF1 TFIID, a po związaniu TAF1 staje się acetylotransferazą histonową (HAT), dalej acetylując sąsiednie histony H3 i H4 i rekrutując więcej HAT w tym procesie. DNA owija się wokół histonów chromatyny, a acetylacja tych ogonów histonów prowadzi do zmniejszenia ładunku dodatniego związanego z histonami. Powoduje to, że ujemnie naładowany DNA traci powinowactwo do histonu, pozostawiając więcej miejsca dla czynników transkrypcyjnych do wiązania regionów promotora i dalszego ułatwiania ekspresji.

Ostatecznie procesy acetylacji histonów i wynikająca z nich przebudowa chromatyny pozwalają na większą ekspresję genów docelowych, w tym tych zaangażowanych w neurogenezę dorosłych. Najlepiej zbadanymi i dobrze poznanymi regulatorami przebudowy chromatyny, które odgrywają ważną rolę w neurogenezie dorosłych, są acetylotransferazy histonowe (HAT) i deacetylazy histonowe (HDAC). HAT dodają grupy acetylowe do nukleosomów, podczas gdy HDAC je usuwają. Acetylacja histonów prowadzi do zmniejszenia kondensacji nukleosomów z docelowym DNA i zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia ekspresji genów poprzez uwolnienie docelowych DNA w celu związania się z ich odpowiednimi czynnikami transkrypcyjnymi. Proces ten bierze udział w regulacji proliferacji neuronów, ponieważ różne geny komórek nerwowych ulegają ekspresji i tłumieniu. Deacetylacja histonów prowadzi do odwrotu i zwiększa prawdopodobieństwo represji ekspresji genów.

Rola modyfikacji histonów w neurogenezie dorosłych

Inhibitory HDAC (HDACi), takie jak kwas walproinowy (VPA) i trichostatyna A, mogą promować proliferację dorosłej neurogenezy poprzez hamowanie aktywności HDAC, indukując różnicowanie dorosłych komórek progenitorowych. HDAC ulegające ekspresji w neuronach wchodzą w interakcję z Tlx, niezbędnym regulatorem nerwowych komórek macierzystych, w celu stłumienia docelowych genów TLX. Obejmuje to cyklinozależny inhibitor kinazy P21 i gen supresorowy guza Pten w celu promowania proliferacji nerwowych komórek macierzystych. Hamowanie HDAC przez lek przeciwpadaczkowy, kwas walproinowy, indukuje różnicowanie neuronów, podobnie jak w neurogenezie embrionalnej, ale także hamuje różnicowanie komórek glejowych dorosłych nerwowych komórek macierzystych. Jest to prawdopodobnie pośredniczone przez regulację w górę genów specyficznych dla neuronów, takich jak neurogenne podstawowe czynniki transkrypcyjne helisa-pętla-helisa NEUROD, NEUROGENENIN1 i Math1. Warunkowa utrata HDAC1 i HDAC2 w neuronalnych komórkach progenitorowych uniemożliwiła im różnicowanie się w neurony, a ich utrata w oligodendrytycznych komórkach progenitorowych zakłóciła formacje oligodendrocytów, co sugeruje, że deacetylacja histonów odgrywa ważną, ale różną rolę na różnych etapach rozwoju neuronów.

miRNA

MikroRNA ( miRNA ) to małe niekodujące RNA, które odgrywają znaczącą rolę w eukariotycznej regulacji epigenetycznej. miRNA działają w celu modulowania poziomów ekspresji białek ich docelowych mRNA bez wpływu na sekwencje genów będących przedmiotem zainteresowania. Chociaż miRNA odgrywają dużą rolę w modulowaniu mechanizmów epigenetycznych, są one również modyfikowane i regulowane przez inne czynniki epigenetyczne, w tym metylację DNA, modyfikacje histonów i inne modyfikacje RNA . Razem miRNA tworzą epigenetyczną pętlę sprzężenia zwrotnego z innymi czynnikami epigenetycznymi, aby wpływać na poziomy ekspresji określonych genów. Wiele specyficznych miRNA zostało zaangażowanych jako czynniki regulacji epigenetycznej w neurogenezie dorosłych. miR-9 celuje w receptor jądrowy TLX w neurogenezie dorosłych, aby promować różnicowanie neuronów i hamować proliferację nerwowych komórek macierzystych. Wpływa również na specyfikację podtypów neuronów i reguluje wzrost aksonów, rozgałęzienia i celowanie w ośrodkowym układzie nerwowym poprzez interakcje z HES1 , cząsteczką homeostazy nerwowych komórek macierzystych. miR-124 promuje wyjście z cyklu komórkowego i różnicowanie neuronów w neurogenezie dorosłych. Badania na myszach wykazały, że ektopowa ekspresja miR-124 wykazała przedwczesne różnicowanie i wyczerpanie nerwowych komórek progenitorowych w strefie podkomorowej .

Oprócz miR-9 i miR-124, inne miRNA odgrywają istotną rolę w regulacji neurogenezy dorosłych. miR-137, miR-184 i miR-195 regulują proliferację dorosłych nerwowych komórek macierzystych, przy czym ich nadekspresja prowadzi do zwiększonej proliferacji, podczas gdy ich regulacja w dół prowadzi do zmniejszenia proliferacji neuronów. metylo-CpG 1 ( MBD1 ) hamuje miR-184, który jest mikroRNA odpowiedzialnym za proliferację dorosłych nerwowych komórek macierzystych/progenitorowych (aNSC) wraz z hamowaniem różnicowania tych komórek. miR-184 reguluje rozwój mózgu zarodka poprzez wiązanie się z mRNA białka Numblike (Numbl) i zmianę jego ekspresji. MBD1, Numbl i miR-184 współpracują ze sobą, aby regulować proliferację i różnicowanie aNSC. Ponadto miR-195 ściśle współpracuje z MBD1 w celu regulacji proliferacji i różnicowania NSC. mIR-194 i MBD1 tworzą negatywną pętlę regulacyjną w aNSC i działają na rzecz tłumienia wzajemnej ekspresji. Hamowanie miR-195 promuje różnicowanie NSC. Po wystąpieniu różnicowania poziomy miR-195 spadają.

Przeprogramowanie astrocytów

Astrocyty to wyspecjalizowane komórki glejowe , które znacznie przewyższają liczbę neuronów w dorosłym mózgu, ze względu na ich zdolność do namnażania się w razie potrzeby, aby utrzymać odpowiedni poziom funkcji mózgu poprzez wiele funkcji, w tym kontrolę bariery krew-mózg, wspieranie synaps, a także odnajdywanie ścieżki aksonów. W przeciwieństwie do neuronów, te wyspecjalizowane komórki glejowe są w stanie zmienić swój los komórkowy przed osiągnięciem pełnej dojrzałości i „ odróżnicowania ”, w dużej mierze z powodu czynników epigenetycznych. To odróżnicowanie pozwala astrocytom potencjalnie całkowicie osiągnąć inny los komórki , o ile to odróżnicowanie nastąpi przed całkowitym dojrzewaniem i może prowadzić do ich późniejszego różnicowania i konwersji z komórek glejowych w neurony w dorosłym mózgu. Przed całkowitym dojrzewaniem, podczas gdy odróżnicowanie jest jeszcze możliwe, ekspresja genów Mash1, NeuroG1 i NeuroG2 może pozwolić na przeprogramowanie astrocytów na neurony. Oprócz ekspresji tych genów w komórkach mózgowych, we wzorcach ekspresji tych genów rolę odgrywa wiele czynników epigenetycznych. że regulacja w górę acetylacji reszt H3K9 i H3K14 sąsiadujących zarówno z genami NeuroG1, jak i NeuroG2 towarzyszy odróżnicowaniu astrocytów, nadekspresja i / lub wymuszona ekspresja tych genów może bezpośrednio indukować różnicowanie astrocytów.

Ponadto wyciszenie mechanizmów metylacji, w szczególności wyciszenie wielu klas metylotransferaz DNA, które same biorą udział w wyciszeniu ekspresji, hamuje różnicowanie się komórek progenitorowych astrocytów z powrotem do ich pierwotnego przeznaczenia jako komórek glejowych. Pomimo tej wiedzy o mechanizmie represji metylacji, tożsamość tych wyciszonych genów nie jest jeszcze w pełni znana. Chociaż ta ogólna represja metylacji jest konieczna, aby zapobiec ekspresji określonych genów potrzebnych do umożliwienia astrocytowi pełnej dojrzałości i osiągnięcia losu komórki astrocytowej, stwierdzono, że nadekspresja jednej specyficznej metylotransferazy histonowej, Ezh2, która katalizuje tri- metylacja H3K27 tłumi geny potrzebne do utrzymania astrocytów, umożliwiając w ten sposób komórce zachowanie morfologii nerwowych komórek macierzystych. Pokazuje to, że zróżnicowana metylacja przez różne metylotransferazy i wynikająca z nich represja lub nadekspresja mają różne role w odróżnicowaniu astrocytów w celu utworzenia neuronów. Co więcej, chociaż Ezh2 nie jest wystarczający do wywołania samego odróżnicowania astrocytów, jest niezbędny do odróżnicowania astrocytów, ponieważ są one powstrzymywane przed osiągnięciem pełnej dojrzałości do ich pierwotnego losu komórki. Wykazano, że na tym zahamowanym etapie ekspresja genu NeuroD4 w tych określonych komórkach glejowych prowadzi do tworzenia neuronów, a tym samym do neurogenezy z odróżnicowanych astrocytów w mózgach dorosłych ssaków.

W pamięci

Rodzina genów 45 (Gadd45) indukowanych przez zatrzymanie wzrostu i uszkodzenie DNA odgrywa dużą rolę w hipokampie. Gadd45 ułatwia długoterminowe wzmocnienie hipokampa i poprawia pamięć trwałą w zakresie wydajności motorycznej, warunkowania awersyjnego i nawigacji przestrzennej. Ponadto wykazano, że metylacja DNA jest ważna dla zależnej od aktywności modulacji neurogenezy dorosłych w hipokampie, w której pośredniczy GADD45b. GADD45b wydaje się działać jako czujnik w dojrzałych neuronach zmian środowiskowych, które wyraża poprzez te zmiany metylacji. Ustalono to, badając wpływ bodźca elektrycznego na zakręt zębaty hipokampa (DG) u myszy normalnych i myszy z nokautem GADD45b. U normalnych myszy zastosowanie stymulacji elektrycznej do DG zwiększyło neurogenezę poprzez zwiększenie BDNF. Jednak u myszy z niedoborem GADD45b bodziec elektryczny miał mniejszy wpływ. Dalsze badania wykazały, że około 1,4% wysp CpG w neuronach DG jest aktywnie metylowanych i demetylowanych po porażeniu prądem. Pokazuje to, że postmitotyczne stany metylacji neuronów nie są statyczne, a biorąc pod uwagę, że wykazano, że sprzęt do wstrząsów elektrycznych, taki jak używany w badaniu, ma działanie terapeutyczne na pacjentów z depresją i innymi zaburzeniami psychicznymi, pozostaje możliwość, że mechanizmy epigenetyczne może odgrywać ważną rolę w patofizjologii zaburzeń neuropsychiatrycznych. DNMT1 i DNMT3a są wymagane w połączeniu do uczenia się, pamięci i plastyczności synaptycznej.

Dysregulacja epigenetyczna i zaburzenia neurologiczne

Dysregulacja epigenetyczna lub zmiany w maszynerii epigenomicznej mogą powodować nieprawidłowe procesy metylacji DNA i acetylacji histonów. Mechanizm epigenetyczny wpływa na regulację różnicowania neuronów (tj. neurogenezę), a także bierze udział w procesach związanych z konsolidacją pamięci i uczeniem się u osób zdrowych. Rosnący wiek może powodować różne zmiany epigenetyczne, takie jak zmniejszona globalna heterochromatyna, przebudowa nukleosomów, zmienione znaki histonowe i zmiany w metylacji DNA. Na przykład utrata nukleosomów występuje z powodu starzenia, ponieważ białka histonów rdzenia są tracone i występuje mniejsza synteza białek. Ponieważ starzenie się jest głównym ryzykiem wielu zaburzeń neurologicznych, dysregulacja epigenetyczna może z kolei prowadzić do zmian na poziomie transkrypcji genów zaangażowanych w patogenezę chorób zwyrodnieniowych układu nerwowego, takich jak choroba Parkinsona , choroba Alzheimera , choroba Huntingtona , schizofrenia i choroba afektywna dwubiegunowa .

choroba Alzheimera

Ekspresja mikroRNA ma kluczowe znaczenie dla neurogenezy. U pacjentów z chorobą Alzheimera miR-9 i miR-128 są regulowane w górę, podczas gdy miR-15a są regulowane w dół. Pacjenci z chorobą Alzheimera wykazują również spadek neurotroficznego czynnika pochodzenia mózgowego, który, jak wykazano, jest tłumiony przez metylację DNA. Chociaż argumentowano, że największym dowodem na wpływ epigenetyczny w chorobie Alzheimera jest gen, który kontroluje białko odpowiedzialne za płytek amyloidowych , App . Ten gen ma bardzo wysoką zawartość GC w swoim regionie promotorowym , co oznacza, że jest bardzo podatny na metylację DNA. Wykazano, że to miejsce promotorowe w naturalny sposób zmniejsza metylację wraz ze starzeniem się, co stanowi przykład dobrze znanych podobieństw między starzeniem się a chorobą Alzheimera. Metale ciężkie również wydają się zakłócać mechanizmy epigenetyczne. W szczególności w przypadku APP wykazano, że narażenie na ołów we wcześniejszym okresie życia powoduje wyraźną nadekspresję białka APP, co prowadzi do większej liczby płytek amyloidowych w późniejszym okresie życia w starzejącym się mózgu.

Związek metylacji DNA z wiekiem był dalej badany w regionach promotorowych kilku genów związanych z chorobą Alzheimera w mózgach pacjentów z chorobą Alzheimera o późnym początku pośmiertnym . Starsi pacjenci wydają się mieć więcej nieprawidłowych mechanizmów epigenetycznych niż młodsi pacjenci, pomimo faktu, że obaj zmarli na chorobę Alzheimera. Chociaż to samo w sobie nie jest rozstrzygającym dowodem czegokolwiek, doprowadziło to do związanej z wiekiem teorii dryfu epigenetycznego, w której nieprawidłowości w maszynerii epigenetycznej i narażenie na pewne czynniki środowiskowe, które występują we wcześniejszym okresie życia, prowadzą do nieprawidłowych wzorców metylacji DNA znacznie później, przyczyniając się do sporadyczna predyspozycja do choroby Alzheimera.

Modyfikacje histonów mogą mieć również wpływ na chorobę Alzheimera, ale różnice między efektami HDAC w mózgach gryzoni w porównaniu z ludzkimi mózgami są dla badaczy zastanawiające. Ponieważ nacisk na choroby neurodegeneracyjne zaczyna przesuwać się w kierunku farmakologii epigenetycznej, można oczekiwać, że interakcje modyfikacji histonów w odniesieniu do neurogenezy staną się bardziej jasne.

choroba Huntingtona

Acetylacja histonów zyskała na przestrzeni lat coraz większe poparcie jako proponowany mechanizm, poprzez który dysregulacja epigenetyczna prowadzi do zmian w ekspresji genów, które przyczyniają się do HD. Badania, które dotyczyły myszy z HD w porównaniu z myszami typu dzikiego (WT), wykazały, że określone loci genów (Drd2, Penk1, Actb i Grin1) zmniejszają poziomy acetylacji histonów, co sugeruje, że mutacja genu Huntingtona (HTT) i jego nadekspresja może być przyczyną tej epigenetycznej dysregulacji.

Uważano, że inhibitory HDAC (HDACi) mogą częściowo odwrócić niski poziom acetylacji obserwowany u pacjentów z HD. Przeprowadzono badania przedkliniczne z użyciem różnych HDACi [takich jak kwas suberoksylanilidohydroksamowy (SAHA), trichostatyna A (TSA), fenylomaślan i maślan sodu (NaB)], które są ukierunkowane na HDACI i HDACII. Chociaż te inhibitory poprawiają niektóre fenotypy HD u myszy, takie jak neuropatologia i funkcje motoryczne , te korzystne efekty nie prowadzą do wniosku o definitywnej potrzebie zwiększenia poziomu acetylacji u pacjentów z HD. Jednak inaktywacja celu SAHA, Hdac 4, łagodzi powikłania neurodegeneracyjne u myszy z HD poprzez mechanizm niezależny od transkrypcji, który działa na procesy agregacji zmutowanego Htt - co może wskazywać, że istnieje mechanizm obejmujący białka niehistonowe. degradacji proteasomu , w którym pośredniczy RANBP2 - który prawdopodobnie pojawia się jako ogólny wynik działania inhibitora HDAC. W tym mechanizmie wykazano, że SAHA obniża poziom Hdac 4 poprzez wzrost sumoilacji , po czym następuje aktywacja degradacji przez szlak proteasomalny. Mechanizm ten ujawnia łączność między procesami acetylacji, deacetylacji i sumoilacji.

Od 2014 r. Nie wykazano, aby leczenie HDACi przywracało normalną ekspresję genów tożsamości neuronów. Jednak badania kliniczne z użyciem HDACi są obecnie w toku i oczekuje się na wyniki, a badania fazy II są obiecujące w zakresie bezpiecznego i tolerowanego stosowania kilku związków, takich jak fenylomaślan.

Korzystne efekty HDACi, w których nie pośredniczą histony, udokumentowano również w modelach choroby Parkinsona , co sugeruje wspólne mechanizmy między kilkoma chorobami neurodegeneracyjnymi.

Choroba Parkinsona

Analiza metylacji DNA wykazała znaczną dysregulację metylacji na wyspach CpG u pacjentów z PD w porównaniu z osobami zdrowymi. Chociaż dotyczyło to całego genomu, miało to również miejsce w przypadku wielu genów ryzyka PD.

Wykazano również, że metylacja cytozyny w mitochondrialnym DNA zmienia się w czasie ze względu na zmienność wieku, ponieważ istnieje coraz więcej literatury łączącej metylację mtDNA ze starzeniem i stresem oksydacyjnym. Badanie z 2015 roku przeprowadzone przez Hashizume i in. wykazało, że poziomy mRNA SHMT2 są znacznie obniżone w fibroblastach osób starszych w porównaniu z osobami młodszymi. Badanie wykazało również, że obniżone poziomy ekspresji genów GCAT i SHMT2 odpowiednio poprzez shRNA i siRNA w fibroblastach młodych pacjentów doprowadziły do dysfunkcji łańcucha oddechowego typowej dla osób starczych - co sugeruje, że przyczyną fenotypu może być mechanizm epigenetyczny zmiana. Ponieważ mitochondria odgrywają rolę w rozwoju choroby Parkinsona, dalsze badania w tej dziedzinie pomogą odkryć wszelkie implikacje metylacji mitochondrialnego DNA w patogenezie choroby Parkinsona.

Wykorzystanie neuronów dopaminergicznych wyizolowanych od pacjentów z PD wykazało wzrost acetylacji (w H2A, H3 i H4) w porównaniu z grupą kontrolną pod względem wieku. Inne badanie z udziałem MPP+ (związku, który może powodować stan chorobowy przypominający ssaki i ludzi z PD) i mózgów myszy traktowanych (MPP+) wykazało obniżony poziom HDAC, jak również w próbkach śródmózgowia od pacjentów z PD. Jest to postrzegane potencjalnie ze względu na to, jak MPP + promuje rozkład HDAC1 i HDAC2 poprzez autofagię , cielesny proces cyklicznego usuwania starych komórek, aby zrobić miejsce dla nowszych, zdrowszych komórek. Wyniki te wskazują na stres modyfikacji histonów w odniesieniu do przebudowy chromatyny i ich implikacji w patogenezie PD .

MiRNA pojawiają się również jako istotne czynniki przyczyniające się do neurodegeneracji w PD. W szczególności kory czołowej wykazali wyższy poziom LRRK2 i niższy poziom miR-205 w porównaniu ze zdrowymi osobami. Łącząc to z odkryciami zdolności miR-205 do wiązania się z 3′ UTR mRNA LRRK2 i tłumienia ekspresji, a także zapobiegania defektom miR-205 po wprowadzeniu do mutacji R1441G LRRK2, wyniki te wskazują na miR-205 i jego rolę regulacyjną w ekspresji LRRK2, co z kolei sugeruje rolę regulacyjną w patogenezie PD.

W innym badaniu, w którym zwiększenie acetylacji mikrotubul za pomocą inhibitorów deacetylazy lub acetylazy tubuliny αTAT1 wykazało zapobieganie asocjacji zmutowanego LRRK2 z mikrotubulami, hamowanie deacetylaz HDAC6 i Sirt2 poprzez procesy knockdown uratowało zarówno transport aksonalny, jak i zachowanie lokomotoryczne. To dodatkowo łączy się ze wspólnymi mechanizmami obejmującymi HDACi w różnych chorobach neurodegeneracyjnych.

Zaburzenie afektywne dwubiegunowe

Zaburzenia afektywne dwubiegunowe są zarówno wysoce złożone, jak i dziedziczne, co czyni je interesującym zaburzeniem do zbadania pod kątem modyfikacji epigenetycznych. Metylacja DNA , hydroksymetylacja DNA i modyfikacje histonów mogą przyczynić się do powstania choroby afektywnej dwubiegunowej.

Na przykład badania bliźniąt monozygotycznych wykazały, że osoby z chorobą afektywną dwubiegunową miały niższą metylację genu izomerazy peptydyloprolilu podobnego do E (PPIEL), co można przypisać transmisji dopaminy. Badania wykazały, że hipermetylacja SLC6A4, genu transportera serotoniny, jest również związana z chorobą afektywną dwubiegunową. Większa ekspresja metylotransferazy DNA 1 w korowych interneuronach GABAergicznych może umożliwić hipermetylację. Hipermetylacja może spowodować wystąpienie hydroksymetylacji w celu nadmiernej kompensacji represyjnych skutków hipermetylacji. Metylacja regionów CpG jest istotna dla zaburzeń afektywnych dwubiegunowych. Pacjenci z chorobą afektywną dwubiegunową wykazywali niższy poziom metylacji regionu CpG genu KCNQ3, który jest odpowiedzialny za bramkowany napięciem kanał K+. Maltretowanie w dzieciństwie przyczyniło się do stanu metylacji CpG2 III 5-hydroksytryptaminy 3A, co zmienia sposób, w jaki maltretowanie wpływa na chorobę afektywną dwubiegunową.

Co więcej, interwencje terapeutyczne, takie jak modyfikowane czynniki transkrypcyjne, mogą modyfikować strukturę chromatyny, aby zająć się zmianami epigenetycznymi występującymi u osób z chorobą afektywną dwubiegunową. Inhibitory metylotransferazy DNA (DNMT) i inhibitory deacetylazy histonowej (HDAC) mogą prawdopodobnie odwrócić modyfikacje epigenetyczne w celu terapeutycznego rozwiązania choroby afektywnej dwubiegunowej. Inhibitory DNMT i HDAC często wywołują efekty podobne do leków przeciwdepresyjnych.

Linki zewnętrzne

Baza danych znanych mikroRNA: http://www.miRbase.org
Artykuł na temat wizualizacji metylacji histonów za pomocą obrazowania fluorescencyjnego