Regulación epigenética de la neurogénesis. Epigenetic regulation of neurogenesis

La epigenética es el estudio de los cambios hereditarios en la expresión génica que no son el resultado de modificaciones en la secuencia del ADN . La neurogénesis es el mecanismo de proliferación y diferenciación neuronal . Implica muchos procesos complejos diferentes que dependen del tiempo y del orden. Los procesos como la proliferación de neuronas, la especificación del destino, la diferenciación, la maduración y la integración funcional de las células del recién nacido en las redes neuronales existentes están todos interconectados. En la última década , se ha demostrado que muchos mecanismos reguladores epigenéticos desempeñan un papel importante en el momento y la determinación de los linajes de células madre neurales .

Mecanismos y definiciones relevantes

Mecanismos epigenéticos

Tres métodos importantes de regulación epigenética incluyen la modificación de histonas , la metilación y desmetilación del ADN y la expresión de microARN ( miARN ). Las histonas mantienen el ADN de la célula eucariota firmemente empaquetado a través de interacciones de carga entre la carga positiva en la cola de histonas y la carga negativa del ADN, así como entre las colas de histonas de nucleosomas cercanos . Si bien existen muchos tipos diferentes de modificaciones de histonas, en la epigenética neuronal hay dos mecanismos principales que se han explorado: metilación de histonas y acetilación de histonas . En el primero, los grupos metilo se agregan o eliminan a la histona alterando su estructura y exponiendo la cromatina y conduciendo a la activación o desactivación de genes . En el último, la acetilación de histonas hace que la histona retenga el ADN de forma más suelta, lo que permite una mayor activación de genes. La metilación del ADN, en la que se añaden grupos metilo a residuos de citosina o adenosina en el ADN, es un método más duradero de inactivación de genes que la modificación de histonas, aunque todavía es reversible en algunos casos. Los microARN son una forma pequeña de ARN no codificante (ncRNA) que a menudo actúan como mecanismos de "ajuste fino" para la expresión génica al reprimir o inducir el ARN mensajero (ARNm) en las células neurales, pero también pueden actuar directamente con factores de transcripción para guiar la neurogénesis.

Regulación epigenética en el cerebro.

Neurogénesis embrionaria

Modificaciones de histonas

Las células madre neurales generan la corteza de una manera precisa "de adentro hacia afuera" con mecanismos de sincronización cuidadosamente controlados. Las neuronas nacidas temprano forman capas profundas en la corteza mientras que las recién nacidas forman las capas superiores. Este programa de cronometraje se observa tanto in vitro como in vivo . Se ha demostrado que la metilación de histonas es uno de los mecanismos reguladores epigenéticos que altera la producción proporcional de neuronas de capa profunda y capa superior. Específicamente, la deleción de Ezh2 que codifica histona metiltransferasa condujo a una reducción doble de las neuronas de la capa superior que expresan BRN2 y SATB2 sin afectar el número de neuronas en las capas V y VI. De manera similar, la acetilación de histonas a través del ácido valproico inhibidor de histona desacetilasa (HDAC) , un tratamiento para la epilepsia, en progenitores neurales derivados de células madre embrionarias de ratón (ESC) no solo induce la diferenciación neuronal, sino que también enriquece selectivamente la población neuronal de la capa superior. Como tal, se ha propuesto que la inhibición de HDAC promueve la progresión de la diferenciación neuronal, lo que lleva a un cambio de destino de progenitores productores de capas profundas a progenitores de capas superiores. Sin embargo, las razones detrás de esta diferenciación selectiva y el control del tiempo como resultado de la inhibición de HDAC aún no se comprenden completamente.

Metilación del ADN

La naturaleza crítica de la metilación del ADN para la corticogénesis se ha demostrado a través de experimentos knockout en ratones. Cuando DNMT 3b y DNMT1 se extirparon por separado en embriones de ratón, murieron debido al deterioro del desarrollo del tubo neural . El silenciamiento de DNMT3a no causó letalidad embrionaria, pero resultó en un detrimento severo en la neurogénesis posnatal. Esto se debe en gran parte al momento en el que estos mecanismos epigenéticos están activos. DNMT3b se expresa en células progenitoras neurales tempranas y disminuye a medida que avanza el desarrollo neural y DNMT3a es apenas detectable hasta el día embrionario 10 (E.10). Sin embargo, en E.10, la expresión de DNMT3a aumenta significativamente desde E13.5 y hasta bien entrada la edad adulta. En el prosencéfalo posnatal, DNMT3a se expresa en la zona subventricular (SVZ) y la circunvolución dentada del hipocampo , las ubicaciones principales de la neurogénesis adulta. La pérdida de DNMT3a en las células progenitoras neurales posnatales conduce a la regulación a la baja de genes neurónicos como Dlx2 , Neurog2 y Sp8 ; pero regulación ascendente de genes implicados en la diferenciación astroglial y oligodendroglial , lo que indica un papel en el cambio del destino celular de la neurogénesis a la gliogénesis . La desmetilación del ADN, así como la metilación, de ciertos genes permite que la neurogénesis proceda de una manera dependiente del tiempo. Uno de esos genes es Hes5 , hipermetilado en embriones E7.5 pero completamente desmetilado por E9.5, que es uno de los genes diana en la vía de señalización Notch . GCM1 y GCM2 desmetilan el promotor Hes5 , lo que le permite responder a la señalización NOTCH e iniciar la generación de células madre neurales. Otro ejemplo es el gen Gfap que se requiere para la diferenciación de astrocitos. La capacidad de diferenciarse en células gliales está reprimida en células madre neurales con destino celular neuronal. Esta represión se debe en gran parte a la falta de respuesta de las células madre neurales hacia los estímulos inductores de astrocitos. Las células madre neurales no responden debido al ADN hipermetilado en las regiones promotoras de genes de astrocitos como Gfap . El sitio de unión de STAT3 en la región promotora de Gfap está hipermetilado en E11.5 y apenas en E14.5, momento en el que es capaz de recibir estimulaciones inductoras de astrocitos y comenzar la diferenciación de astrocitos inducible por citocinas.

miARN

Mecanismo de los miARN

Los estudios realizados por De Pietri Tonelli y Kawase-Koga han demostrado que la eliminación condicional de Dicer , una enzima utilizada en gran medida para la síntesis de miARN, en el neocórtex de ratón resultó en una reducción del tamaño cortical, aumento de la apoptosis neuronal y una deficiencia de cortisol en capas. Las células neuroepiteliales y las células neuroprogenitoras no se vieron afectadas hasta E.14, momento en el que también sufrieron apoptosis. Esto no muestra qué miARN fueron responsables de los diversos factores afectados, pero sí muestra que existe un requisito específico de etapa para la expresión de miARN en el desarrollo cortical. miR-124 , el microARN más abundante en el sistema nervioso central, controla la progresión del linaje de las células progenitoras neurales de la zona subventricular en neuroblastos al suprimir la producción de proteínas al dirigirse a Sox9 . Otro jugador importante de microARN es miR-9/9 * . En la neurogénesis embrionaria, se ha demostrado que miR-9 regula la diferenciación neuronal y la autorrenovación. La expresión ectópica de miR-9 en la corteza del ratón en desarrollo condujo a una diferenciación neuronal prematura e interrumpió la migración de nuevas neuronas al dirigirse a Foxg1 .

Contrariamente a la idea de que los microARN son solo mecanismos de ajuste, estudios recientes han demostrado que miR-9 y miR-124 pueden actuar juntos para guiar los fibroblastos hacia las células neurales. Los factores de transcripción y genes reguladores, como Neurod1 , Ascr1 y Myt1l , que anteriormente se pensaba que eran los responsables de este fenómeno, no transformaban los fibroblastos humanos en ausencia de miR-9 y miR-124, sino en presencia de los microARN y la ausencia de los factores de transcripción prosiguió la transformación de fibroblastos humanos, aunque de una manera menos eficaz.

Neurogénesis adulta

Metilación del ADN

La neurogénesis continúa después del desarrollo hasta la edad adulta. Para la desmetilación de los promotores de genes críticos responsables del desarrollo de las neuronas del recién nacido, como el factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF) y el factor de crecimiento de fibroblasto básico (FGF2), se requiere la detención del crecimiento y el daño del ADN inducible por beta (GADD45b ). Como tal, la regulación positiva de GADD45b conduce a un aumento de la desmetilación, aumento de BDNF y FGF2 y, en última instancia, más células progenitoras neurales.

Modificación de histonas

La desacetilación de histonas también juega un papel importante en la proliferación y autorrenovación de las células madre neurales posnatales. Las HDAC de expresión neural interactúan con Tlx , un regulador esencial de células madre neurales, para suprimir los genes diana de TLX. Esto incluye el inhibidor de quinasa dependiente de ciclina P21 y el gen supresor de tumores Pten para promover la proliferación de células madre neurales. La inhibición de HDACS por el fármaco antiepiléptico ácido valproico induce la diferenciación neuronal como en la neurogénesis embrionaria, pero también inhibe la diferenciación de las células gliales de las células madre neurales adultas. Es probable que esto esté mediado por la regulación positiva de genes neuronales específicos, como los factores de transcripción neurogénicos básicos de hélice-bucle-hélice NEUROD, NEUROGENENIN1 y Math1. La pérdida condicional de HDAC1 y HDAC2 en las células progenitoras neurales les impidió diferenciarse en neuronas y su pérdida en las células progenitoras oligodendríticas interrumpió las formaciones de oligodendrocitos, lo que sugiere que la desacetización de histonas juega un papel importante pero variable en las diferentes etapas del desarrollo neuronal.

miARN

miR-9 se dirige al receptor nuclear TLX en la neurogénesis adulta para promover la diferenciación neural e inhibir la proliferación de células madre neurales. También influye en la especificación del subtipo neuronal y regula el crecimiento axonal, la ramificación y la orientación en el sistema nervioso central a través de interacciones con HES1 , una molécula de homeostasis de células madre neurales. miR-124 promueve la salida del ciclo celular y la diferenciación neuronal en la neurogénesis adulta. Los estudios en ratones han demostrado que la expresión ectópica de miR-124 mostró diferenciación prematura de células progenitoras neurales y agotamiento en la zona subventricular.


En memoria

La acetilación de histonas tiene un papel dinámico en el control de la formación de la memoria y la plasticidad sináptica. Los inhibidores de HDAC mostraron efectos positivos en ratones con defectos cognitivos como la enfermedad de Alzheimer y mejoraron la cognición de los ratones de tipo salvaje. Se ha demostrado que HDAC2 juega un papel negativo en la memoria y el aprendizaje. Sirt1, una histona acetilasa, reduce la capacidad de formación de memoria al promover la expresión de miR-134, que se dirige al factor de transcripción dependiente de la actividad crítica (CREB) esencial para el aprendizaje y la memoria.

La familia de genes 45 (Gadd45) inducible por detención del crecimiento y daño del ADN desempeña un papel importante en el hipocampo. Gadd45 facilita la potenciación a largo plazo del hipocampo y mejora la memoria persistente para el rendimiento motor, el acondicionamiento aversivo y la navegación espacial. Además, se ha demostrado que la metilación del ADN es importante para la modulación dependiente de la actividad de la neurogénesis adulta en el hipocampo, que está mediada por GADD45b. GADD45b parece actuar como un sensor en neuronas maduras para los cambios ambientales que expresa a través de estos cambios de metilación. Esto se determinó examinando los efectos de aplicar un estímulo eléctrico a la circunvolución dentada del hipocampo (DG) en ratones normales y knockout para GADD45b. En ratones normales, la aplicación de estimulación eléctrica al DG aumentó la neurogénesis al aumentar el BDNF. Sin embargo, en ratones deficientes en GADD45b, el estímulo eléctrico tuvo un efecto menor. Un examen más detallado reveló que alrededor del 1,4% de las islas CpG en las neuronas DG están activamente metiladas y desmetiladas tras una descarga eléctrica. Esto muestra que los estados de metilación posmitóticos de las neuronas no son estáticos y dado que se ha demostrado que los equipos de descarga eléctrica como el utilizado en el estudio tienen efectos terapéuticos en pacientes humanos con depresión y otros trastornos psiquiátricos, existe la posibilidad de que los mecanismos epigenéticos puede desempeñar un papel importante en la fisiopatología de los trastornos neuropsiquiátricos. DNMT1 y DNMT3a se requieren en conjunto para el aprendizaje, la memoria y la plasticidad sináptica.

Desregulación epigenética y trastornos neurológicos

Las alteraciones en la maquinaria epigenómica hacen que los procesos de metilación del ADN y acetilación de histonas se vuelvan deshonestos, lo que lleva a alteraciones en el nivel transcripcional de genes involucrados en la patogénesis de enfermedades neurales degenerativas como la enfermedad de Parkinson , la enfermedad de Alzheimer , la esquizofrenia y la enfermedad bipolar.

Enfermedad de Alzheimer

La expresión de microARN es fundamental para la neurogénesis. En pacientes con enfermedad de Alzheimer, miR-9 y miR-128 están regulados al alza, mientras que miR-15a está regulado a la baja. Los pacientes de Alzheimer también muestran disminuciones en el factor neurotrófico derivado del cerebro, que se ha demostrado que se reprime mediante la metilación del ADN. Aunque lo que se ha argumentado como la mayor evidencia de influencia epigenética en el Alzheimer es el gen que controla la proteína responsable de la formación de placa amiloide , App . Este gen tiene un contenido de GC muy alto en su región promotora , lo que significa que es muy susceptible a la metilación del ADN. Se ha demostrado que este sitio promotor reduce naturalmente la metilación con el envejecimiento, ejemplificando los paralelos entre el envejecimiento y el Alzheimer ya bien conocidos. Los metales pesados ​​también parecen interferir con los mecanismos epigenéticos. Específicamente en el caso de la APP, se ha demostrado que la exposición al plomo en una etapa temprana de la vida causa una sobreexpresión marcada de la proteína APP, lo que conduce a más placa amiloide más adelante en la vida en el cerebro envejecido.

La relación de edad de la metilación del ADN se ha investigado más a fondo en las regiones promotoras de varios genes relacionados con la enfermedad de Alzheimer en los cerebros de pacientes con enfermedad de Alzheimer de aparición tardía post mortem . Los pacientes mayores parecen tener una maquinaria epigenética más anormal que los pacientes más jóvenes, a pesar de que ambos habían muerto de Alzheimer. Aunque esto en sí mismo no es evidencia concluyente de nada, ha llevado a una teoría de la deriva epigenética relacionada con la edad en la que las anomalías en la maquinaria epigenética y la exposición a ciertos factores ambientales que ocurren antes en la vida conducen a patrones de metilación aberrantes del ADN mucho más tarde, lo que contribuye predisposición esporádica a la enfermedad de Alzheimer.

Las modificaciones de las histonas también pueden tener un impacto en la enfermedad de Alzheimer, pero las diferencias entre los efectos de HDAC en los cerebros de los roedores en comparación con los cerebros humanos tienen a los investigadores desconcertados. A medida que el enfoque de las enfermedades neurodegenerativas comienza a desplazarse hacia la farmacología epigenética , se puede esperar que las interacciones de las modificaciones de las histonas con respecto a la neurogénesis sean más claras.

Referencias

enlaces externos