Si bien los mecanismos celulares y moleculares del aprendizaje y la memoria han sido durante mucho tiempo un foco central de la neurociencia , recién en los últimos años se ha prestado atención a los mecanismos epigenéticos detrás de los cambios dinámicos en la transcripción genética responsables de la formación y el mantenimiento de la memoria. La regulación genética epigenética a menudo implica el marcado físico (modificación química) del ADN o proteínas asociadas para causar o permitir cambios duraderos en la actividad genética. Se ha demostrado que los mecanismos epigenéticos como la metilación del ADN y las modificaciones de las histonas ( metilación , acetilación y desacetilación ) desempeñan un papel importante en el aprendizaje y la memoria. [1]
La metilación del ADN implica la adición de un grupo metilo a un residuo de citosina en el extremo 5' . Esto suele ocurrir en las citosinas que forman parte de un dinucleótido de citosina-guanina ( sitios CpG ). La metilación puede provocar la activación o represión de la transcripción génica y está mediada por la actividad de las metiltransferasas del ADN (DNMT). La DNMT3A y la DNMT3B regulan la metilación de novo de los sitios CpG, mientras que la DNMT1 mantiene los patrones de metilación establecidos. [2] La S-adenosil metionina actúa como donante de metilo. [3]
Una hipótesis actual sobre cómo la metilación del ADN contribuye al almacenamiento de recuerdos es que los cambios dinámicos de la metilación del ADN ocurren temporalmente para activar la transcripción de genes que codifican proteínas cuya función es estabilizar la memoria. Otra hipótesis es que los cambios en la metilación del ADN que ocurren incluso en etapas tempranas de la vida pueden persistir durante la edad adulta, afectando la forma en que los genes pueden activarse en respuesta a diferentes señales ambientales.
La primera demostración del papel de la epigenética en el aprendizaje de la memoria fue el trabajo de referencia de Szyf y Meaney (PMID 15220929), en el que demostraron que el lamido y el acicalamiento por parte de las ratas madres (cuidado materno) impedían la metilación del gen del receptor de glucocorticoides. Cuando estas crías se convierten en adultas, responden mejor a los factores estresantes que las ratas que, cuando eran crías, no fueron lamidas ni acicaladas por sus madres y, en cambio, tuvieron una acumulación de metilación en el gen del receptor de glucocorticoides.
Miller y Sweatt demostraron que las ratas entrenadas en un paradigma de condicionamiento del miedo contextual tenían niveles elevados de ARNm para DNMT3a y DNMT3b en el hipocampo . [4] El condicionamiento del miedo es una tarea de memoria asociativa donde un contexto, como una habitación, se empareja con un estímulo aversivo , como una descarga eléctrica en el pie; los animales que han aprendido la asociación muestran niveles más altos de comportamiento de congelación cuando se exponen al contexto incluso en ausencia de la estimulación aversiva. Sin embargo, cuando las ratas fueron tratadas con los inhibidores de DNMT zebularina o 5-aza-2'-desoxicitidina inmediatamente después del condicionamiento del miedo, demostraron un aprendizaje reducido (comportamiento de congelación). Cuando las ratas tratadas fueron reentrenadas 24 horas después, se desempeñaron tan bien como las ratas no tratadas. Además, se demostró que cuando estos inhibidores de DNMT se administraron 6 horas después del entrenamiento, y las ratas fueron probadas 24 horas después, las ratas mostraron una memoria de miedo normal, lo que indica que los DNMT están involucrados específicamente en la consolidación de la memoria. [4] Estos hallazgos revelan la importancia de los cambios dinámicos en el estado de metilación en la formación de la memoria.
Feng et al. crearon ratones knock out doble condicional (DKO) para los genes DNMT3a y DNMT1. Se demostró que estos ratones tenían una potenciación a largo plazo (LTP) significativamente debilitada y una depresión a largo plazo (LTD) estimulada mucho más fácilmente en el hipocampo. Cuando se probó en la tarea de navegación acuática de Morris , que se utiliza para estudiar la memoria espacial dependiente del hipocampo , los ratones DKO DNMT3a/DNMT1 tardaron más en encontrar la plataforma que los ratones de control. Los ratones knock out simple (SKO) para DNMT3a o DNMT1 se desempeñaron normalmente. [5] Los ratones DKO también fueron incapaces de consolidar la memoria después del condicionamiento del miedo. Dado que los ratones SKO no exhibieron los mismos defectos de aprendizaje y memoria que los ratones DKO, se concluyó que DNMT3a y DNMT1 juegan papeles redundantes en la regulación del aprendizaje y la memoria.
Cuando se inhiben las DNMT en la corteza prefrontal , se altera la evocación de recuerdos existentes, pero no la formación de nuevos. Esto indica que la metilación del ADN puede ser específica del circuito cuando se trata de regular la formación y el mantenimiento de los recuerdos. [6]
Se ha demostrado que el gen supresor de la memoria, la proteína fosfatasa 1 ( PP1 ), ha aumentado la metilación de las islas CpG después del condicionamiento contextual al miedo. Esto se corresponde con una disminución de los niveles de ARNm de PP1 en el hipocampo de las ratas entrenadas. Cuando se inhibieron las DNMT, ya no se observó un aumento de la metilación en el gen PP1 . [4] Estos datos sugieren que durante la consolidación de la memoria en tareas de aprendizaje asociativo, la metilación de CpG se utiliza para inhibir la expresión de PP1 , un gen que inhibe negativamente la formación de la memoria.
Si bien la metilación del ADN es necesaria para inhibir los genes involucrados en la supresión de la memoria , la desmetilación del ADN es importante para activar los genes cuya expresión está correlacionada positivamente con la formación de la memoria. Sweatt y Miller también demostraron que el gen reelina , que está involucrado en la inducción de la potenciación a largo plazo, tenía un perfil de metilación reducido y un aumento del ARNm de reelina en ratas condicionadas por el miedo frente a las de control. También se ha demostrado que el factor neurotrófico derivado del cerebro ( BDNF ), otro gen importante en la plasticidad neuronal, tiene una metilación reducida y una transcripción aumentada en animales que han experimentado el aprendizaje. [7] Si bien estos estudios se han relacionado con el hipocampo , evidencia reciente también ha demostrado una mayor desmetilación de reelina y BDNF en la corteza prefrontal medial (mPFC), un área involucrada en la cognición y la emoción. [8]
El mecanismo detrás de esta respuesta de desmetilación dependiente de la experiencia no se comprendía completamente hasta ahora, y algunas pruebas mostraban que las DNMT podrían estar implicadas en la desmetilación. [7] También se sugirió que los miembros de la familia GADD45 de reparación de daños en el ADN podrían contribuir a este proceso de desmetilación. [2] [3] Sin embargo, más recientemente, las vías ilustradas en la Figura siguiente, titulada "Desmetilación de 5-metilcitosina (5mC) en el ADN de las neuronas", especialmente la vía dependiente de TET , se han confirmado como vías de desmetilación del ADN. [9] También se ha indicado recientemente un papel para GADD45, ya que GADD45 interactúa físicamente con la timina-ADN glicosilasa (TDG) y GADD45 puede promover la actividad de TDG en su(s) función(es) durante la conversión de 5mC a citosina. [9]
Se ha demostrado que los ratones que tienen alteraciones genéticas para la proteína de unión a CpG 2 (MeCP2) tienen problemas significativos en la memoria dependiente del hipocampo y tienen una LTP hipocampal deteriorada. [2]
Los cambios en la expresión de genes asociados con el trastorno de estrés postraumático (TEPT), que se caracteriza por una extinción alterada de la memoria traumática, pueden estar mediados por la metilación del ADN. [10] En personas con esquizofrenia , se ha demostrado que la reelina se regula a la baja a través del aumento de la metilación del ADN en las regiones promotoras de las interneuronas GABAérgicas . También se ha demostrado que DNMT1 se regula al alza en estas células. [10]
La metilación de las histonas puede aumentar o disminuir la transcripción génica dependiendo de qué histona se modifica, el aminoácido que se modifica y el número de grupos metilo añadidos. [11] En el caso de la metilación de la lisina , existen tres tipos de modificaciones: lisinas monometiladas, dimetiladas o trimetiladas. La di- o trimetilación de la histona H3 en la lisina 9 (H3K9) se ha asociado con regiones transcripcionalmente silenciosas, mientras que la di- o trimetilación de la histona H3 en la lisina 4 (H3K4) se asocia con genes transcripcionalmente activos. [12]
El hipocampo es una región cerebral importante en la formación de la memoria. La trimetilación de H3K4 está asociada con la transcripción activa. En experimentos de condicionamiento del miedo contextual en ratas, se encontró que los niveles de trimetilación de H3K4 aumentan en el hipocampo después del condicionamiento del miedo. [13] En estos experimentos de Gupta et al., se hizo una conexión entre los cambios en la metilación de histonas y la expresión génica activa durante la consolidación de recuerdos asociativos. [13] En este mismo estudio, también se encontró que estas metilaciones de histonas eran reversibles, ya que los niveles de trimetilación de H3K4 volvieron a los niveles basales después de un período de 24 horas. Esto indicó que la desmetilación activa estaba ocurriendo después de la consolidación de la memoria . Para explorar más a fondo el papel de las metiltransferasas en la formación de la memoria a largo plazo, este estudio aplicó las mismas pruebas de condicionamiento del miedo en ratas deficientes en Mll , una metiltransferasa específica de H3K4. Las ratas con un gen mutante heterocigoto Mll+/− mostraron una reducción significativa en su capacidad para formar memorias a largo plazo en comparación con las ratas normales con un gen Mll intacto. Por lo tanto, las metiltransferasas H3K4, como Mll, deben tener un papel esencial en la formación de la memoria a largo plazo en el hipocampo. [13]
El cambio en el estado de metilación de las histonas en la ubicación de promotores de genes específicos, en lugar de solo en todo el genoma, también está involucrado en la formación de la memoria. [13] Los genes Zif268 y BDNF son críticos para la consolidación de la memoria. [14] La trimetilación de H3K4 aumenta alrededor de los promotores Zif268 y BDNF después del condicionamiento contextual del miedo, cuando estos genes están transcripcionalmente activos. Esto demuestra que en el momento de la consolidación de la memoria, la transcripción de genes de formación de la memoria como Zif268 y bdnf está regulada por la metilación de histonas. [13]
La dimetilación de la lisina 9 de la histona H3 está asociada con el silenciamiento transcripcional . [12] El complejo G9a / proteína similar a G9a (GLP) es una metiltransferasa específica para producir esta modificación. [15] Un estudio examinó el papel del silenciamiento transcripcional mediado por G9a/GLP en el hipocampo y la corteza entorinal (EC) durante la consolidación de la memoria. Se encontró que la inhibición de G9a/GLP en la EC, pero no en el hipocampo, da como resultado la mejora de la formación de la memoria a largo plazo. [16] Además, la inhibición de G9a/GLP en la corteza entorinal alteró la dimetilación de la lisina 9 de la histona H3 en el área 1 de Cornu Ammonis del hipocampo, lo que sugiere la importancia de este complejo en la mediación de la conectividad entre estas dos regiones cerebrales. Por lo tanto, el complejo G9a/GLP juega un papel importante en la metilación de histonas y la formación de la memoria a largo plazo en el hipocampo y el EC. [16]
Las marcas de metilación de histonas también se correlacionan con otras modificaciones epigenéticas, como la desacetilación de histonas y la metilación del ADN, en el contexto del aprendizaje y la memoria. La desacetilación reducida de histonas se correlaciona con un aumento en la dimetilación de H3K9, una modificación asociada con el silenciamiento transcripcional. [13] Por lo tanto, los inhibidores de la histona desacetilasa se pueden aplicar para aumentar la acetilación de histonas y suprimir la dimetilación de H3K9, aumentando así la transcripción genética. En el caso de la metilación del ADN, se encontró que los aumentos en la trimetilación de H3K4 se correlacionan con la metilación del ADN alterada de los sitios CpG en el promotor de Zif268 , un gen involucrado en la formación de la memoria, después del condicionamiento del miedo. Gupta et al. demostraron que la metilación del ADN en el promotor Zif268 aumentó después del condicionamiento del miedo, correlacionándose con un aumento en la expresión del gen Zif268. [13] Este hallazgo fue sorprendente, ya que anteriormente se pensaba que la metilación del ADN resultó en silenciamiento transcripcional. [13]
La acetilación implica la sustitución de un hidrógeno por un grupo acetilo . En un contexto biológico, la acetilación suele asociarse con la modificación de proteínas, específicamente histonas . La reacción de acetilación suele estar catalizada por enzimas que contienen actividad de histona acetiltransferasa (HAT).
Las HAT son enzimas responsables de la acetilación de aminoácidos. Las HAT acetilan convirtiendo el grupo lateral de lisina de los aminoácidos con la adición de un grupo acetilo de una molécula de acetil CoA , creando acetil lisina . Las enzimas HAT se asocian con mayor frecuencia con las proteínas histonas y trabajan para regular la interacción entre las histonas y el ADN que las envuelve. Las HAT no solo se limitan a la acetilación de histonas, sino que también pueden acetilar muchas otras proteínas implicadas en la manipulación de la expresión génica, como la de los factores de transcripción y las proteínas receptoras.
La acetilación es uno de los principales mecanismos implicados en el proceso de remodelación de la cromatina . La remodelación de la cromatina afecta la regulación de la expresión génica al alterar la relación entre los nucleosomas y el ADN. La acetilación de las histonas elimina la carga positiva, lo que reduce el nivel de interacción entre la histona que antes tenía carga positiva y los grupos fosfato con carga negativa del ADN que envuelve el complejo nucleosomal. Esta alteración de las cargas provoca una relajación del ADN del nucleosoma; se observa que esta sección relajada tiene niveles más altos de expresión génica que las regiones no acetiladas.
Los patrones de acetilación de histonas han sido útiles como fuente de información epigenética debido a su capacidad para reflejar cambios en las tasas de transcripción y el mantenimiento de los patrones de expresión génica. Este código de acetilación puede luego ser leído y proporcionar abundante información para el estudio de patrones de herencia de cambios epigenéticos como los del aprendizaje, la memoria y los estados patológicos.
El papel de los mecanismos epigenéticos y la remodelación de la cromatina se ha implicado tanto en la plasticidad sináptica como en la expresión génica neuronal. Los estudios con inhibidores del complejo de la histona desacetilasa como SAHA , tolueno , garcinol, tricostatina A y butirato de sodio han demostrado que la acetilación es importante para la plasticidad sináptica del cerebro; al inhibir los complejos de la desacetilasa, las tasas totales de acetilación en el cerebro aumentaron, lo que llevó a mayores tasas de transcripción y mejor consolidación de la memoria. [17] [18] Al utilizar varios ensayos de aprendizaje como la prueba del laberinto acuático de Morris y ensayos de condicionamiento del miedo junto con fármacos que influyen en la acetilación, se demostró que los patrones de acetilación en el hipocampo son fundamentales para la asociación de la memoria y el comportamiento de aprendizaje. [19] Los estudios con varios inhibidores de HDAC y el desarrollo neuronal han demostrado un aumento del aprendizaje y la memoria, como resultado de un mayor estado de acetilación. Por el contrario, los estudios realizados con inhibidores de HAT arrojaron un deterioro de la consolidación de la memoria y una disminución general del aprendizaje. [20]
Los estudios han demostrado que la cascada ERK / MAPK es importante para la regulación de la acetilación de la lisina en la corteza insular del cerebro (una parte del cerebro implicada en la formación de la memoria gustativa ). La activación de la cascada ERK/MAPK se observó en ratones después de la introducción de un nuevo sabor; se demostró que la cascada era necesaria para la formación de la memoria del sabor. El mecanismo propuesto para el funcionamiento de esta cascada es que la MAPK regula la acetilación de las histonas y la posterior remodelación de la cromatina por medio de efectores posteriores, como la proteína de unión a CREB (que tiene actividad HAT). [21] [22] [23] Al observar las tasas de acetilación en la corteza insular, los investigadores pudieron determinar qué patrones de acetilación se debían a la actividad de la desacetilasa o la acetilasa y cuáles eran el resultado de la actividad de la lisina acetiltransferasa. [22]
La potenciación a largo plazo (PLP) es la mejora de la fuerza de la señal entre neuronas. La LTP es la base de la plasticidad sináptica y desempeña un papel fundamental en la formación de la memoria. La LTP depende de la actividad de los receptores NMDA en el cerebro y se ha demostrado que la actividad de NMDA influye en la acetilación. Cuando se activan los receptores NMDA, provocan una afluencia de calcio en la célula que, a su vez, activa varias vías de señalización que, en última instancia, activan la vía ERK , que luego modula factores de transcripción como CREB . Luego, CREB recluta un HAT para ayudar a crear y estabilizar la formación de la memoria a largo plazo, a menudo a través de la autoperpetuación de histonas acetiladas. Los estudios realizados sobre la acetilación de la histona H3 en la región CA1 del hipocampo muestran que la activación de los receptores NMDA aumentó la acetilación de H3 y, a la inversa, la inhibición de la vía ERK en la región CA1 resultó en una disminución de la acetilación de H3. [23] En resumen:
Las histonas desacetilasas (HDAC) eliminan los grupos acetilo (-COCH3) de las histonas, alterando las estructuras de la cromatina y disminuyendo la accesibilidad de los factores de transcripción al ADN, reduciendo así la transcripción de genes. Se ha demostrado que las HDAC desempeñan un papel en el aprendizaje y la memoria a través de su regulación en la vía CREB-CBP .
Los estudios concluyen que los inhibidores de HDAC como la tricostatina A (TSA) aumentan la acetilación de histonas y mejoran la plasticidad sináptica y la memoria a largo plazo (Fig. 1A). CREB , una proteína de unión al elemento de respuesta al AMPc y activador transcripcional, se une a CBP formando el complejo CREBP. Este complejo activa genes involucrados en la formación sináptica y la memoria a largo plazo. (Fig. 1B) Los tratamientos con TSA en la región CA1 del hipocampo de ratones aumentaron los niveles de acetilación y mejoraron la potenciación a largo plazo (LTP), un mecanismo involucrado en el aprendizaje y la memoria (Fig. 1B). Sin embargo, los tratamientos con TSA en mutantes de CBP que carecen de dominios KIX no afectaron la LTP en ratones (Fig. 1D). El dominio KIX permite la interacción entre CREB y CBP, por lo que la eliminación de esta región interrumpe la formación del complejo CREBP. La eliminación de CREB produjo resultados similares a los de los ratones CBP mutantes (Fig. 1C). Por lo tanto, la inhibición de HDAC y la asociación de CREBP son necesarias para el desarrollo de la memoria. Los tratamientos con TSA mostraron mayores niveles de expresión de los genes Nr4a1 y Nra2 , mientras que otros genes regulados por CREB no se vieron afectados. Los inhibidores de HDAC mejoran la memoria a través de la activación de genes específicos regulados por el complejo CREBP. [24]
No se entiende bien el papel de las HDAC individuales en el aprendizaje y la memoria, pero se ha demostrado que HDAC2 regula negativamente la formación de la memoria y la plasticidad sináptica. [19]
La sobreexpresión (OE) de HDAC1 y HDAC2 en ratones resultó en niveles reducidos de lisinas acetiladas. Después de exponer a estos ratones a experimentos de condicionamiento del miedo dependientes del contexto y del tono, los ratones OE HDAC1 no cambiaron, pero los ratones OE HDAC2 mostraron una disminución en el comportamiento de congelamiento, lo que sugiere un deterioro en la formación de la memoria. Por otro lado, los ratones con knockouts (KO) de HDAC2 mostraron niveles de congelamiento aumentados en comparación con los ratones de tipo salvaje (WT), mientras que HDAC1 mostró comportamientos de congelamiento similares a los WT. En resumen, Guan et al. [19] han demostrado que:
HDAC3 también es un regulador negativo de la formación de potenciación a largo plazo. McQuown et al. [25] han demostrado que:
Las investigaciones han demostrado que las HDAC y las HAT desempeñan un papel crucial en los trastornos del sistema nervioso central (SNC), como el síndrome de Rett . [26] El síndrome de Rubinstein-Tabyi causa discapacidad intelectual a través de posibles mutaciones en la proteína de unión a CREB y p300 . Sin embargo, la mejora de la expresión de los genes dependientes de CREB o la inhibición de la actividad de HDAC restauran parcialmente la pérdida de LTP y mejoran los déficits tardíos de LTP. Los inhibidores de HDAC como TSA pueden proporcionar una posible terapia para el síndrome de Rubinstein-Tabyi. Otros trastornos de déficit de memoria que pueden implicar inhibidores de HDAC como terapia potencial son:
Durante una nueva experiencia de aprendizaje , un conjunto de genes se expresa rápidamente en el cerebro . Esta expresión génica inducida se considera esencial para procesar la información que se está aprendiendo. Estos genes se conocen como genes tempranos inmediatos (IEG). La actividad de la ADN topoisomerasa II beta (TOP2B) es esencial para la expresión de IEG en un tipo de experiencia de aprendizaje en ratones denominada memoria de miedo asociativa. [27] Una experiencia de aprendizaje de este tipo parece desencadenar rápidamente que TOP2B induzca roturas de doble cadena en el ADN promotor de los genes IEG que funcionan en la neuroplasticidad . La reparación de estas roturas inducidas está asociada con la desmetilación del ADN de los promotores de los genes IEG, lo que permite la expresión inmediata de estos genes IEG. [27]
Las roturas de doble cadena que se inducen durante una experiencia de aprendizaje no se reparan inmediatamente. Alrededor de 600 secuencias reguladoras en promotores y alrededor de 800 secuencias reguladoras en potenciadores parecen depender de roturas de doble cadena iniciadas por la topoisomerasa 2-beta (TOP2B) para su activación. [28] [29] La inducción de roturas de doble cadena particulares es específica con respecto a su señal inductora. Cuando las neuronas se activan in vitro , solo 22 de las roturas de doble cadena inducidas por TOP2B ocurren en sus genomas. [30]
Estas roturas de doble cadena inducidas por TOP2B están acompañadas por al menos cuatro enzimas de la vía de reparación del ADN por unión de extremos no homólogos (NHEJ) (DNA-PKcs, KU70, KU80 y DNA LIGASE IV) (véase la Figura). Estas enzimas reparan las roturas de doble cadena en un plazo de entre 15 minutos y dos horas. [30] [31] Las roturas de doble cadena en el promotor están, por tanto, asociadas con TOP2B y al menos estas cuatro enzimas de reparación. Estas proteínas están presentes simultáneamente en un único nucleosoma promotor (hay unos 147 nucleótidos en la secuencia de ADN envueltos alrededor de un único nucleosoma) situado cerca del sitio de inicio de la transcripción de su gen diana. [31]
La ruptura de doble cadena introducida por TOP2B aparentemente libera la parte del promotor en un sitio de inicio de transcripción unido a la ARN polimerasa para moverse físicamente a su potenciador asociado (ver secuencia reguladora ). Esto permite que el potenciador, con sus factores de transcripción unidos y proteínas mediadoras , interactúe directamente con la ARN polimerasa pausada en el sitio de inicio de la transcripción para iniciar la transcripción . [30] [32]
El condicionamiento contextual del miedo en el ratón hace que éste tenga una memoria a largo plazo y miedo del lugar en el que ocurrió. El condicionamiento contextual del miedo provoca cientos de DSB en la corteza prefrontal medial (CPFm) del cerebro del ratón y en las neuronas del hipocampo (véase la Figura: regiones cerebrales implicadas en la formación de la memoria). Estos DSB activan predominantemente genes implicados en procesos sinápticos, que son importantes para el aprendizaje y la memoria. [33]
Como revisaron Massaad y Klann en 2011 [35] y Beckhauser et al. en 2016, [36] las especies reactivas de oxígeno (ROS) son necesarias para las funciones normales de aprendizaje y memoria.
Uno de los productos de oxidación del ADN más frecuentes de las ROS es la 8-hidroxi-2'-desoxiguanosina (8-OHdG). La eliminación de las bases oxidadas del ADN suele ocurrir en cuestión de minutos, con una vida media de 11 minutos para la 8-OHdG. [37] Los niveles de estado estacionario de daños endógenos del ADN representan el equilibrio entre la formación y la reparación. Las 8-OHdG se encuentran entre los daños del ADN más frecuentes presentes en el estado estacionario, con aproximadamente 2400 nucleótidos dañados por 8-OHdG en la célula de mamífero promedio. [38] El nivel de 8-OHdG en estado estacionario en el cerebro es similar al de otros tejidos. [39]
La presencia de 8-OHdG en las neuronas parece tener un papel en la memoria y el aprendizaje. La glicosilasa de ADN oxoguanina glicosilasa (OGG1) es la enzima principal responsable de la escisión de 8-OHdG en la reparación por escisión de bases . Sin embargo, OGG1, que se dirige y se asocia con 8-OHdG, también tiene un papel en el comportamiento adaptativo, lo que implica un papel fisiológicamente relevante para 8-OHdG combinado con OGG1 en la cognición en el cerebro adulto. [40] [41] En particular, los ratones heterocigotos OGG1+/-, con aproximadamente la mitad del nivel de proteína de OGG1, exhiben un rendimiento de aprendizaje más pobre en el laberinto de Barnes en comparación con los animales de tipo salvaje. [42]
En las células somáticas adultas, como las neuronas, la metilación del ADN ocurre típicamente en el contexto de dinucleótidos CpG ( sitios CpG ), formando 5-metilcitosina (5mC). [34] Por lo tanto, un sitio CpG puede metilarse para formar 5mCpG. La presencia de 5mC en sitios CpG en promotores de genes se considera ampliamente como una marca epigenética que actúa para suprimir la transcripción. [43] Si la guanina en el sitio 5mCpG es atacada por ROS, lo que lleva a la formación de 8-OHdG, OGG1 se une a la lesión de 8-OHdG sin escisión inmediata de 8-OHdG. Cuando OGG1 está presente en un sitio 5mCp-8-OHdG, recluta TET1 a la lesión de 8-OHdG y TET1 oxida el 5mC adyacente a 8-OHdG. Esto hace que el 5mC entre en la vía de desmetilación del ADN (ver Figura titulada "Inicio de la desmetilación del ADN en un sitio CpG"). [34] Esta vía se inicia con la formación de 5-hidroximetilcitosina , que puede permanecer en el ADN, o puede haber más reacciones oxidativas seguidas de una reparación por escisión de bases, para devolver el nucleósido en esa posición a citosina (ver Figura "Desmetilación de 5-metilcitosina (5mC) en el ADN de la neurona").
El número total de sitios CpG en el genoma humano es de aproximadamente 28 millones y la frecuencia promedio de sitios CpG en el genoma es de aproximadamente 1 por cada cien pares de bases. [44] Una situación de aprendizaje intensa se puede aplicar a ratas, denominada condicionamiento del miedo contextual . [45] Esto puede dar como resultado un recuerdo de miedo de por vida después de un solo evento de entrenamiento. [45] Si bien el recuerdo a largo plazo de este evento parece almacenarse primero en el hipocampo, este almacenamiento es transitorio y no permanece en el hipocampo. [45] Gran parte del almacenamiento a largo plazo de la memoria de condicionamiento del miedo contextual parece tener lugar en la corteza cingulada anterior. [46] (Ver Figura: Regiones cerebrales involucradas en la formación de la memoria, y también esta referencia. [47] ) Cuando se aplica el condicionamiento del miedo contextual a una rata, más de 5000 regiones metiladas diferencialmente (DMRs) de 500 nucleótidos cada una aparecen en el genoma neuronal del hipocampo de la rata tanto una hora como 24 horas después del condicionamiento en el hipocampo. [48] Esto hace que alrededor de 500 genes sean regulados positivamente (a menudo debido a la hipometilación de los sitios CpG) y alrededor de 1000 genes sean regulados negativamente (a menudo debido a la 5mC recién formada en los sitios CpG en una región promotora). El patrón de genes inducidos y reprimidos dentro de las neuronas parece proporcionar una base molecular para formar esta primera memoria transitoria de este evento de entrenamiento en el hipocampo del cerebro de la rata. [48] Cuando se aplicó un condicionamiento contextual similar al miedo a un ratón, una hora después del condicionamiento contextual del miedo había 675 genes desmetilados y 613 genes hipermetilados en la región del hipocampo del cerebro del ratón. [49] Estos cambios fueron transitorios en las neuronas del hipocampo, y casi ninguno estaba presente después de cuatro semanas. Sin embargo, en ratones sometidos al condicionamiento condicional del miedo, después de cuatro semanas había más de 1.000 genes metilados de forma diferencial y más de 1.000 genes expresados de forma diferencial en la corteza cingulada anterior, [49] donde se almacenan los recuerdos a largo plazo en el cerebro del ratón. [46]