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37 - LM Zieher, LR Guelman - Abril 2006

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La epigénesis cromatínica y su relevancia en las conductas complejas y en las patologías psiquiátricas

Dr. Luis María

Dr. Luis María Zieher, Dra. Laura R. Guelman Introducción La adaptación al entorno es uno de los procesos regulatorios fundamentales de los seres vivos, tanto en los organismos más simples como en los más complejos. Si bien los organismos más simples se adaptan al entorno por medio de la generación de mutaciones espontáneas, esto no se observa en los organismos más evolucionados donde aún mutaciones generadas en los 20.000 a 30.000 genes existentes en el genoma humano no podrían explicar la gran diversidad de tipos celulares y la capacidad de adaptación a entornos cambiantes (1). Por este motivo, se postuló que los cambios necesarios para adaptarse al entorno no se producirían sobre la secuencia de los genes, sino sobre la estructura de la cromatina. La cromatina es el empaquetamiento del ADN con proteínas básicas llamadas histonas (Figura 1a). La interacción histonas- ADN es mediada por el extremo N-terminal que sale del nucleosoma y entra en contacto con el ADN (2). Las histonas son proteínas básicas que comprimen al ADN en el núcleo y proveen una plataforma para regular la transcripción de genes "clave". La modificación de histonas "relaja" la interacción ADN-histonas (2, 3), permitiendo a la maquinaria transcripcional acceder a un promotor en particular. Las histonas pueden, entonces, ser pensadas como módulos de información que adquieren información codificada basada en la suma o eliminación de grupos químicos. Recientemente, varios laboratorios han descubierto que un proceso evolutivamente conservado, como el "etiquetado" epigenético de la cromatina, que se creía que solo participaba en procesos del desarrollo involucrados en la diferenciación de una célula pluripotente en un tejido diferenciado, es también "adoptado" por el Sistema Nervioso para mediar procesos de plasticidad, memoria y cognición en general (1). El mantenimiento de las características de un determinado tipo celular, la llamada memoria celular, está determinado por una variedad de factores de transcripción que se expresan en momentos críticos del desarrollo y que regulan genes "blanco". Por ejemplo, los cambios epigenéticos que se producen en el desarrollo son estáticos: una vez que la célula se diferenció, el "etiquetado" epigenético se mantiene de una generación a otra de células (1, 4, 5). Todas las proteínas que se expresan en las neuronas (las involucradas en la excitabilidad, liberación de neurotransmisores y mantenimiento del potencial de membrana) no se expresan en otros tipos celulares. ¿Cómo sabe la célula del hígado que no tiene que comportarse como neurona, si ambas tienen la misma composición génica? Por la existencia del silenciamiento génico, el cual está mediado por un factor de transcripción silenciador llamado REST que recluta proteínas generadoras de modificaciones epigenéticas. Esto permite la existencia de células genotípicamente idénticas que sean fenotípicamente diferentes (4). A su vez, el Sistema Nervioso Central (SNC) también es blanco de cambios epigenéticos que, a diferencia de los cambios epigenéticos del desarrollo, son dinámicos, debido a la dinámica de dicho tejido. La formación de la memoria a largo plazo requiere la participación de señales de transcripción y traducción. Pero si dichas señales se reciclan, ¿cómo se retiene la memoria? La respuesta está en la cromatina, que es un punto estable en el cual se pueden codificar cambios persistentes. Modificación de la estructura de la cromatina La remodelación de la cromatina involucra numerosos tipos de modificaciones postraduccionales en las histonas, incluyendo la acetilación, la metilación, la ubiquitinación, la fosforilación y la ADP-ribosilación (Figura 1b), las cuales afectan las interacciones estructurales entre el ADN y las histonas, modulando la expresión génica. Dichas modificaciones pueden producirse en múltiples sitios de un determinado promotor, generando el llamado "código de histonas" (2). Dicho código define un estado epigenético que codifica la actividad génica en contraposición con el silenciamiento. La acetilación de histonas cataliza la acetilación de determinados aminoácidos con carga positiva (lisina o arginina) en las colas de histona que interactúan con el ADN. Esto neutraliza las cargas positivas de histona y abre la cromatina, facilitando la fijación del factor de transcripción al ADN (5). Un determinado residuo de aminoácido puede ser acetilado en la cromatina activa, pero metilado en regiones del genoma que deben ser silenciados. Los procesos de acetilación, metilación y fosforilación se producen sobre el grupo amino del residuo de diferentes aminoácidos: - Acetilación: se produce sobre el grupo amino del residuo de lisina. La reacción la cataliza la histona acetiltransferasa (HAT). La de-acetilación la lleva a cabo la HDAC (2, 5). - Metilación: se produce sobre el grupo amino del residuo de lisina. La reacción la cataliza la histona metiltransferasa (HMT). Cuando se metila la lisina, llamada H3K9 (la lisina en posición 9, contando desde el amino terminal de la histona 3), ésta atrae a HP1, una proteína asociada a la cromatina condensada (silenciosa), sugiriendo que la metilación en H3K9 es leída por HP1 como una señal para condensar una determinada región del ADN. En cambio, la acetilación FIGURA 1-B FIGURA 1-A Estructura de la cromatina Modificaciones químicas en la cromatina 08 // EDITORIAL SCIENS

Psicofarmacología 6:37, Abril 2006 de ese mismo sitio o la metilación en la lisina en posición 4, se asocian con cromatina "abierta" o relajada (2). - Ubiquitinación: agregado de ubiquitina para "marcar" proteínas para su degradación (5). - Fosforilación: se produce sobre el grupo amino del residuo de serina 10 en la histona H3 (5). La modificación de histonas puede producirse en forma secundaria a la metilación del ADN en un residuo de citosina que esté seguido por una guanina (pares CpG). El 70 % de los pares CpG están metilados. La metilación del ADN conduce a cambios en la estructura de la cromatina que downregulan la transcripción, mediante la interferencia con factores de transcripción, impidiendo de esta manera que se unan a sus correspondientes elementos regulatorios (2, 3, 4). Cambios en el entorno son capaces de afectar la metilación del ADN de los promotores de determinados genes, afectando de esta forma la producción de las correspondientes proteínas ya que los factores de transcripción no pueden acceder a dichos genes. Durante la diferenciación celular se produce el "silenciamiento génico" mediante el agregado de grupos metilo al ADN en sitios específicos. La metilación del ADN está asociada al silenciamiento transcripcional y puede conducir al reclutamiento de proteínas de unión a 5' metilcitosina (MeCP2), que reclutan complejos co-represores e histona deacetilasas (HDACs), que suprimen la transcripción (4, 5). A su vez, las señales ambientales gatillan caminos celulares de señalización que conducen a modificaciones en la cromatina, la abren y aumentan de este modo la accesibilidad del ADN a los agentes desmetilantes, para volver a permitir la expresión de estos genes. Las ADN metil-transferasas (DNMT) transfieren un metilo de la S-adenosil-metionina (SAM) al átomo de carbono en posición 5' del anillo citosina. La unión C-C del grupo metilo con el residuo citosina es covalente, y por consiguiente genera una marca epigenética durable (2, 4, 5). Estos mecanismos cooperativos crean una estructura cromatínica local que la hace accesible al ensamblado de los factores de transcripción requeridos para reclutar al complejo de transcripción liderado por la ARN polimerasa (2). Conductas normales en las cuales los mecanismos de epigénesis cromatínica están involucrados Diversas conductas complejas, como la memoria de corto y largo plazo, requieren de estos mecanismos epigenéticos como la acetilación de histonas (1, 5). Este mecanismo controla la estructura de la cromatina, esencial para obtener un óptimo nivel de expresión génica. Ratones con mutaciones en la proteína CBP (proteína de unión al factor de transcripción CREB, mediador de mecanismos de memoria y aprendizaje), que además tiene función de acetil transferasa (HAT), tienen un déficit en la performance de tareas de evitación pasiva, reflejando un trastorno en la memoria (1, 5, 6). Por otro lado, los genes circadianos son regulados por acetilación (5) y la inducción de la plasticidad sináptica en el hipocampo de mamíferos conduce a un aumento en la acetilación y fosforilación de histonas (5, 6), en un camino dependiente de la vía de la MAP kinasa, gatillado por glutamato, dopamina (DA) o serotonina (5-HT). Finalmente, la conducta maternante parece estar regulada por estos mecanismos epigenéticos, lo cual se desarrollará en las próximas secciones. El cuidado materno y los mecanismos epigenéticos Los efectos del cuidado materno neonatal temprano medido en conductas de aseo y cuidado de las crías (licking-grooming o LG) se deberían, en parte, a cambios en la expresión de un solo gen, el del receptor a glucocorticoides (GR). Parece ser que una alta conducta maternante estimula la acetilación de histonas en el promotor del gen del receptor a glucocorticoides, aumentando su transcripción y facilitando el frenado del eje hipotálamo pituitario adrenal (HPA), generando crías que poseen una menor respuesta al stress cuando son adultas (1, 8, 9). Por otro lado, los patrones de metilación del ADN en dicho promotor, están relacionados con la calidad de cuidado materno: crías de madres con alta conducta maternante tienen menos sitios de metilación del ADN (menor "silenciamiento génico") que las crías de madres con baja conducta maternante. Estos diferentes patrones de metilación disminuyen la ansiedad y estimulan la propia conducta maternante de las crías cuando son adultas (transmisión transgeneracional). En resumen, las crías de madres con alta conducta de LG muestran: - Aumentos significativos del ARNm para GR en hipocampo - Aumento de sensibilidad al feedback negativo por glucocorticoides - Disminución de los niveles hipotalámicos del ARNm para CRF El fenotipo biológico se revierte cuando se entrecruzan las crías de madres con baja conducta de LG a alta conducta de LG: al revertirse los niveles del receptor GR, se eliminan las influencias de las experiencias ambientales tempranas sobre las respuestas del eje HPA al stress (8, 9). ¿A qué obedecen los efectos del cuidado materno sobre la expresión de GR? El manoseo o la conducta de LG en la primera semana de vida incrementan el recambio hipocampal de 5-HT en las crías de las ratas. Vía receptores serotonérgicos 5-HT 7 , se incrementan los niveles de AMPc y proteín kinasa A (PKA), así como los de la proteína fijadora de CREB (CBP), lo que incrementa (medido al día 6 postnatal) la expresión del "factor A-NGF-inducible" (NGFI-A), factor de transcripción conocido también como zif-268, krox-24, egr-1 y zenk (9). El efecto de la 5-HT sobre la expresión de GR y NGFI-A es bloqueado por la concurrente administración del oligonucleótido antisentido dirigido al ARNm del NGFI-A. Por otro lado, el exón 1 7 del gen del GR hipocampal de la rata contiene una secuencia (la secuencia 1 7 ) que funciona como promotora y es específica del cerebro. En ratas adultas, la expresión hipocampal de las variantes "splice" del ARNm para GR que contienen el exon 1 7 , aumenta por manoseo postnatal o por conductas de LG materno. El exón 1 7 contiene una secuencia consenso fijadora de NGFI-A, la que aumenta su fijación dramáticamente en las crías de madres con alto LG comparadas con las de bajo LG en constructos exón 1 7 - luciferasa + un vector NGFI-A (7, 8, 9, 10). La aumentada expresión del NGFI-A no se aprecia en los adultos hijos de madres con alta conducta de LG, lo que indicaría que se produjo una modificación epigenética en el exón EDITORIAL SCIENS // 09

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