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Gen temprano inmediato

Los genes tempranos inmediatos ( IEG ) son genes que se activan de forma transitoria y rápida en respuesta a una amplia variedad de estímulos celulares. Representan un mecanismo de respuesta permanente que se activa a nivel de transcripción en la primera ronda de respuesta a los estímulos, antes de que se sinteticen nuevas proteínas. Los IEG se diferencian de los genes de "respuesta tardía", que sólo pueden activarse más tarde, tras la síntesis de productos genéticos de respuesta temprana. Por ello, a los IEG se les ha denominado la "puerta de entrada a la respuesta genómica". El término puede describir proteínas reguladoras virales que se sintetizan después de la infección viral de una célula huésped, o proteínas celulares que se producen inmediatamente después de la estimulación de una célula en reposo mediante señales extracelulares.

En su función como "puertas de entrada a la respuesta genómica", muchos productos de IEG son factores de transcripción naturales u otras proteínas de unión al ADN . Sin embargo, otras clases importantes de productos IEG incluyen proteínas secretadas , proteínas citoesqueléticas y subunidades receptoras . Los IEG neuronales se utilizan predominantemente como marcador para rastrear las actividades cerebrales en el contexto de la formación de la memoria y el desarrollo de trastornos psiquiátricos. [1] Los IEG también son de interés como diana terapéutica para el tratamiento del citomegalovirus humano . [2]

Tipos

Los primeros IEG identificados y mejor caracterizados incluyen c-fos , c-myc y c-jun , genes que resultaron ser homólogos a los oncogenes retrovirales . Por tanto, los IEG son bien conocidos como reguladores tempranos del crecimiento celular y de las señales de diferenciación. Sin embargo, otros hallazgos sugieren funciones de los IEG en muchos otros procesos celulares. [3] Arc/Arg3.1 , Zif268 y Homer son IEG que regulan la fuerza sináptica en las neuronas. [4]

Regulación

La expresión de IEG se produce en respuesta a señales celulares internas y externas, y ocurre rápidamente sin necesidad de sintetizar nuevos factores de transcripción . [5] Las secuencias genéticas de los IEG son generalmente más cortas (~19 kb) y exhiben un enriquecimiento de sitios de unión de factores de transcripción específicos, lo que ofrece redundancia en el inicio de la transcripción. [6] La traducción del ARNm de IEG en proteínas se produce independientemente de los inhibidores de la síntesis de proteínas, lo que altera el proceso de producción de proteínas. [7] La ​​expresión rápida de IEG también se atribuye a la accesibilidad de su secuencia promotora a través de la acetilación de histonas que es consistente antes y después de la expresión. [6] La regulación negativa de la transcripción del ARNm se produce mediante la focalización redundante de la región 3' UTR por parte de los microARN , lo que resulta en represión y degradación traduccional. La expresión de la proteína IEG suele ser transitoria debido a la rápida regulación negativa del ARNm y al aumento de la proteólisis de los productos traducidos. [6]

Función

La activación de la transcripción genética es un sistema complejo de cascadas de señales y reclutamiento de componentes necesarios como la ARN polimerasa y factores de transcripción . Los IEG suelen ser los primeros en responder a las señales reguladoras y muchos alcanzan su expresión máxima dentro de los 30 minutos posteriores al estímulo, en comparación con las 2 a 4 horas en el caso del gen de respuesta primaria retrasada. [8] Hay muchas vías de señalización que conducen a la activación de IEG, muchas de las cuales ( MAPK/ERK , PI3K , etc.) se estudian en el contexto del cáncer. [6] Como tal, muchos IEG funcionan como factores de transcripción que regulan la expresión de genes posteriores o son protooncogenes asociados con un crecimiento celular alterado. [8]

IEG en la investigación neurobiológica

La expresión de IEG está implicada en la actividad neuronal y específicamente en la formación de la memoria, las enfermedades neuropsiquiátricas y las actividades conductuales. [9] Los genes tempranos inmediatos presentes en el cerebro están asociados con una variedad de funciones, como la modificación de funciones sinápticas a través de factores de crecimiento de activación rápida y transitoria o la expresión de proteínas celulares. [10] Se teoriza que estos cambios son el medio por el cual la memoria se almacena en el cerebro, como se describe en el concepto de rastro de memoria o engrama . En el contexto de las enfermedades neuropsiquiátricas, la regulación positiva de ciertos IEG relacionados con la formación de recuerdos relacionados con el miedo contribuye al desarrollo de una variedad de enfermedades como la esquizofrenia , el trastorno de pánico y el trastorno de estrés postraumático [11].

Formación de memoria

Expresión de IEG c-Fos en neuronas que responden a la estimulación con tratamiento con potasio

Algunos IEG como ZNF268 y Arc se han implicado en el aprendizaje , la memoria y la potenciación a largo plazo . [12] [13]

Se ha demostrado que una amplia gama de estimulación neuronal induce la expresión de IEG, desde convulsiones sensoriales y conductuales hasta convulsiones inducidas por fármacos. [9] Como tal, los IEG se utilizan como marcador para comprender los conjuntos neuronales asociados con la formación de ciertos recuerdos, como el miedo, comúnmente atribuido al desarrollo de trastornos psiquiátricos. [11] Por ejemplo, las neuronas de expresión Arc en el hipocampo muestran diferencias fenotípicas y de comportamiento en respuesta a estímulos como la morfología alterada de la columna dendrítica o la tasa de activación espontánea. [9] Esta asociación sugiere que la expresión de ciertos IEG en respuesta a un estímulo da como resultado la expansión del circuito neuronal relacionado mediante la incorporación de conjuntos de neuronas activadas. Otros IEG afectan diferentes propiedades neuronales y la desactivación de Arc muestra efectos adversos en la formación de la memoria a largo plazo. [9] Estos hallazgos ofrecen información sobre el mecanismo molecular y los cambios funcionales provocados por la expresión de IEG, ampliando la teoría del rastro de la memoria.

La consolidación de la memoria durante una experiencia de aprendizaje depende de la rápida expresión de un conjunto de IEG en las neuronas del cerebro . [14] En general, la expresión de genes a menudo puede ser reprimida epigenéticamente por la presencia de 5-metilcitosina en las regiones promotoras del ADN de los genes. Sin embargo, en el caso de los IEG asociados con la consolidación de la memoria, la desmetilación de la 5-metilcitosina para formar la base normal de citosina puede inducir una rápida expresión genética. La desmetilación parece ocurrir mediante un proceso de reparación del ADN que involucra a la proteína GADD45G . [14]

Desórdenes psiquiátricos

Los IEG se utilizan como marcadores en modelos animales de depresión. Los ratones afectados tienen niveles alterados de Arc , que afecta la actividad sináptica, y EGR1 , implicado en la codificación de rastros de memoria. [1] Otras enfermedades neuropsiquiátricas como la esquizofrenia también exhiben una expresión alterada de IEG, y estudios recientes muestran una correlación de la baja expresión de EGR3 , un factor de transcripción posterior a los NMDAR , en pacientes que presentan esquizofrenia. [15] Como tal, los IEG son marcadores cruciales en la evaluación de la actividad neuronal en el contexto de una enfermedad psiquiátrica con su patrón de expresión determinado por factores ambientales y genéticos. [15]

Posibles aplicaciones terapéuticas

Citomegalovirus humano

El citomegalovirus humano (HCMV) es un herpesvirus beta prevalente que permanece en estado latente, pasando desapercibido en individuos sanos pero que tiene graves consecuencias si el individuo está inmunocomprometido. El virus entra y sale del estado latente y se caracteriza por diferentes regiones de expresión genética: inmediata-temprana (IE), temprana y tardía. [16] Los tratamientos antivirales convencionales, como el ganciclovir, utilizan análogos de nucleósidos para atacar los primeros eventos de los ciclos de replicación viral; sin embargo, estos enfoques son propensos a desarrollar resistencia. [17] Se cree que apuntar a IE1 e IE2 es crucial para regular la patogénesis del HCMV y retener el virus en estado latente. Las proteínas virales derivadas de IE1 e IE2 regulan la latencia viral controlando la expresión posterior de genes tempranos y tardíos. [2] Se ha investigado el silenciamiento de la expresión del gen IE a través de oligonucleótidos antisentido , interferencia de ARN y ribosomas dirigidos a genes para aplicaciones terapéuticas. [2] [17] Alternativamente, el auge de la tecnología CRISPR permite una edición precisa del ADN que puede eliminar los genes HCMV responsables de la transcripción de IE. La focalización en el ADN es más eficaz en infecciones latentes, en las que el ARNm viral está ausente o en una concentración baja. [2] También se están investigando inhibidores químicos de moléculas pequeñas que se dirigen a factores epigenéticos y proteínas de señalización implicadas en la expresión de IE. [2]

Referencias

  1. ^ ab Gallo FT, Katche C, Morici JF, Medina JH, Weisstaub NV (25 de abril de 2018). "Genes tempranos inmediatos, memoria y trastornos psiquiátricos: centrarse en c-Fos, Egr1 y Arc". Fronteras en neurociencia conductual . 12 : 79. doi : 10.3389/fnbeh.2018.00079 . PMC  5932360 . PMID  29755331.
  2. ^ abcde Adamson CS, Nevels MM (enero de 2020). "Brillante y temprano: inhibición del citomegalovirus humano dirigiéndose a la función proteica o la expresión genética temprana e inmediata importante". Virus . 12 (1): 110. doi : 10.3390/v12010110 . PMC 7019229 . PMID  31963209. 
  3. ^ Lanahan A, Worley P (1998). "Genes tempranos inmediatos y función sináptica". Neurobiología del Aprendizaje y la Memoria . 70 (1–2): 37–43. doi : 10.1006/nlme.1998.3836 . PMID  9753585. S2CID  10863525.
  4. ^ Guzowski, John F.; Setlow, Barry; Wagner, Edward K.; McGaugh, James L. (15 de julio de 2001). "Expresión genética dependiente de la experiencia en el hipocampo de la rata después del aprendizaje espacial: una comparación de los genes tempranos inmediatos Arc, c-fos y zif268". La Revista de Neurociencia . 21 (14): 5089–5098. doi : 10.1523/JNEUROSCI.21-14-05089.2001 . ISSN  0270-6474. PMC 6762831 . 
  5. ^ Vacca A, Itoh M, Kawaji H, Arner E, Lassmann T, Daub CO y col. (Agosto de 2018). "El orden temporal conservado de la activación del promotor implica mecanismos comunes que gobiernan la respuesta temprana inmediata entre tipos de células y estímulos". Biología abierta . 8 (8): 180011. doi : 10.1098/rsob.180011. PMC 6119861 . PMID  30089658. 
  6. ^ abcd Bahrami S, Drabløs F (septiembre de 2016). "Regulación genética en el proceso de respuesta inmediata-temprana". Avances en Regulación Biológica . 62 : 37–49. doi : 10.1016/j.jbior.2016.05.001 . PMID  27220739.
  7. ^ Xu C, Li Q, Efimova O, Jiang X, Petrova M, K Vinarskaya A, et al. (mayo de 2019). "Identificación de genes tempranos inmediatos en el sistema nervioso de Snail Helix lucorum". eNeuro . 6 (3): ENEURO.0416–18.2019. doi :10.1523/ENEURO.0416-18.2019. PMC 6584072 . PMID  31053606. 
  8. ^ ab Healy S, Khan P, Davie JR (enero de 2013). "Genes de respuesta temprana inmediata y transformación celular". Farmacología y Terapéutica . 137 (1): 64–77. doi :10.1016/j.pharmthera.2012.09.001. PMID  22983151.
  9. ^ abcd Minatohara K, Akiyoshi M, Okuno H (5 de enero de 2016). "Papel de los genes tempranos inmediatos en la plasticidad sináptica y los conjuntos neuronales subyacentes a la huella de la memoria". Fronteras de la neurociencia molecular . 8 : 78. doi : 10.3389/fnmol.2015.00078 . PMC 4700275 . PMID  26778955. 
  10. ^ Andreasson KI, Kaufmann WE (2002). "Papel de la expresión genética temprana inmediata en la morfogénesis y plasticidad cortical". Resultados y problemas en la diferenciación celular . 39 : 113–37. doi :10.1007/978-3-540-46006-0_6. ISBN 978-3-642-53665-6. PMID  12353466.
  11. ^ ab Gallo FT, Katche C, Morici JF, Medina JH, Weisstaub NV (25 de abril de 2018). "Genes tempranos inmediatos, memoria y trastornos psiquiátricos: centrarse en c-Fos, Egr1 y Arc". Fronteras en neurociencia conductual . 12 : 79. doi : 10.3389/fnbeh.2018.00079 . PMC 5932360 . PMID  29755331. 
  12. ^ Davis S, Bozón B, Laroche S (junio de 2003). "¿Cuán necesaria es la activación del gen temprano inmediato zif268 en la plasticidad sináptica y el aprendizaje?". Investigación del comportamiento del cerebro . 142 (1–2): 17–30. doi :10.1016/S0166-4328(02)00421-7. PMID  12798262. S2CID  41734654.
  13. ^ Plath N, Ohana O, Dammermann B, Errington ML, Schmitz D, Gross C, et al. (noviembre de 2006). "Arc/Arg3.1 es fundamental para la consolidación de la plasticidad sináptica y los recuerdos". Neurona . 52 (3): 437–444. doi : 10.1016/j.neuron.2006.08.024 . PMID  17088210. S2CID  2039086.
  14. ^ ab Li X, Marshall PR, Leighton LJ, Zajaczkowski EL, Wang Z, Madugalle SU, et al. (febrero de 2019). "La proteína Gadd45γ asociada a la reparación del ADN regula la codificación temporal de la expresión genética temprana inmediata dentro de la corteza prefrontal prelímbica y es necesaria para la consolidación de la memoria asociativa del miedo". La Revista de Neurociencia . 39 (6): 970–983. doi : 10.1523/JNEUROSCI.2024-18.2018 . PMC 6363930 . PMID  30545945. ; Li X, Marshall PR, Leighton LJ, Zajaczkowski EL, Wang Z, Madugalle SU, et al. (febrero de 2019). "La proteína Gadd45γ asociada a la reparación del ADN regula la codificación temporal de la expresión genética temprana inmediata dentro de la corteza prefrontal prelímbica y es necesaria para la consolidación de la memoria asociativa del miedo". La Revista de Neurociencia . 39 (6): 970–983. doi :10.1523/JNEUROSCI.2024-18.2018. PMC 6363930 . PMID  30545945. 
  15. ^ ab Marballi KK, Gallitano AL (19 de febrero de 2018). "Los genes tempranos inmediatos anclan una vía biológica de proteínas necesarias para la formación de la memoria, la depresión a largo plazo y el riesgo de esquizofrenia". Fronteras en neurociencia conductual . 12 : 23. doi : 10.3389/fnbeh.2018.00023 . PMC 5827560 . PMID  29520222. 
  16. ^ Scholz M, Doerr HW, Cinatl J (marzo de 2001). "Inhibición de la expresión genética temprana inmediata del citomegalovirus: ¿una opción terapéutica?". Investigación antiviral . 49 (3): 129–45. doi :10.1016/s0166-3542(01)00126-7. PMID  11428240.
  17. ^ ab Torres L, Tang Q (diciembre de 2014). "Regulación genética inmediata-temprana (IE) del citomegalovirus: estrategias virales mediadas por IE1 y pp71 contra las defensas celulares". Virológica Sínica . 29 (6): 343–352. doi :10.1007/s12250-014-3532-9. PMC 4654928 . PMID  25501994. 

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