Neuroepigenética - Neuroepigenetics
Neuroepigenética é o estudo de como as mudanças epigenéticas nos genes afetam o sistema nervoso . Essas mudanças podem afetar condições subjacentes, como dependência , cognição e desenvolvimento neurológico .
Mecanismos
Mecanismos neuroepigenéticos regulam a expressão gênica no neurônio. Freqüentemente, essas mudanças ocorrem devido a estímulos recorrentes. Os mecanismos neuroepigenéticos envolvem proteínas ou vias proteicas que regulam a expressão gênica por meio da adição, edição ou leitura de marcas epigenéticas, como metilação ou acetilação . Alguns desses mecanismos incluem a remodelação da cromatina dependente de ATP , LINE1 e modificações baseadas na proteína príon . Outros mecanismos de silenciamento incluem o recrutamento de proteínas especializadas que metilam o DNA de modo que o elemento promotor do núcleo seja inacessível aos fatores de transcrição e à RNA polimerase . Como resultado, a transcrição não é mais possível. Uma dessas vias proteicas é a via do complexo co-repressor REST . Existem também vários RNAs não codificantes que regulam a função neural no nível epigenético. Esses mecanismos, junto com a metilação das histonas neurais , afetam o arranjo das sinapses , a neuroplasticidade e desempenham um papel fundamental na aprendizagem e na memória.
Metilação
As metiltransferases de DNA (DNMTs) estão envolvidas na regulação da paisagem eletrofisiológica do cérebro por meio da metilação de CpGs . Vários estudos mostraram que a inibição ou diminuição da atividade DNMT1 durante a maturação neural leva à hipometilação dos neurônios, removendo a capacidade da célula de manter marcas de metilação na cromatina. Essa perda gradual das marcas de metilação leva a mudanças na expressão de genes cruciais do desenvolvimento que podem ser sensíveis à dosagem, levando à degeneração neural. Isso foi observado nos neurônios maduros na porção dorsal do prosencéfalo do camundongo , onde havia quantidades significativamente maiores de degeneração neural e sinalização neural pobre na ausência de DNMT1. Apesar das baixas taxas de sobrevivência entre os neurônios depletados de DNMT1, algumas das células persistiram ao longo da vida do organismo. As células sobreviventes reafirmaram que a perda de DNMT1 levou à hipometilação no genoma das células neurais. Essas células também exibiram mau funcionamento neural. Na verdade, uma perda global do funcionamento neural também foi observada nesses organismos modelo, com a maior quantidade de degeneração neural ocorrendo no prosencéfalo. [1]
Outros estudos mostraram uma tendência para DNMT3a e DNMT3b . No entanto, esses DNMTs adicionam novas marcas de metil no DNA não metilado, ao contrário do DNMT1. Como DNMT1, a perda de DNMT3a e 3b resultou em degeneração neuromuscular dois meses após o nascimento, bem como baixas taxas de sobrevivência entre a progênie das células mutantes, embora DNMT3a não funcione regularmente para manter marcas de metilação. Este enigma foi abordado por outros estudos que registraram loci raros em neurônios maduros onde DNMT3a atuou como DNMT de manutenção. O locus Gfap , que codifica a formação e regulação do citoesqueleto dos astrócitos, é um desses locus onde essa atividade é observada. O gene é regularmente metilado para diminuir a regulação dos cânceres relacionados ao glioma . A inibição da DNMT leva à redução da metilação e ao aumento da atividade sináptica. [2] Vários estudos mostram que o aumento ou diminuição relacionada à metilação na atividade sináptica ocorre devido à regulação positiva ou negativa de receptores na sinapse neurológica. Essa regulação do receptor desempenha um papel importante em muitos mecanismos importantes, como a resposta de "lutar ou fugir". O receptor de glicocorticóide (GR) é o mais estudado desses receptores. Durante circunstâncias estressantes, há uma cascata de sinalização que começa na glândula pituitária e termina devido a um ciclo de feedback negativo da glândula adrenal . Nessa alça, o aumento dos níveis do hormônio de resposta ao estresse resulta no aumento do RG. O aumento do GR resulta na diminuição da resposta celular aos níveis hormonais. Foi demonstrado que a metilação do exon I7 dentro do locus GR leva a um nível mais baixo de expressão basal de GR em camundongos. Esses camundongos eram mais suscetíveis a altos níveis de estresse do que os camundongos com níveis mais baixos de metilação no exon I7. A regulação para cima ou para baixo dos receptores por meio da metilação leva a uma mudança na atividade sináptica do neurônio.
Hipermetilação, ilhas CpG e genes supressores de tumor
As ilhas CpG (CGIs) são elementos reguladores que podem influenciar a expressão gênica, permitindo ou interferindo na iniciação da transcrição ou na atividade intensificadora. CGIs são geralmente intercalados com as regiões promotoras dos genes que afetam e também podem afetar mais de uma região promotora. Além disso, eles também podem incluir elementos potenciadores e estar separados do local de início da transcrição. A hipermetilação em CGIs-chave pode silenciar efetivamente a expressão de genes supressores de tumor e é comum em gliomas. Genes supressores de tumor são aqueles que inibem a progressão de uma célula para o câncer. Esses genes são comumente associados a funções importantes que regulam eventos do ciclo celular. Por exemplo, as vias PI3K e p53 são afetadas pela hipermetilação do promotor CGI, isso inclui os promotores dos genes CDKN2 / p16, RB, PTEN, TP53 e p14ARF. É importante ressaltar que os glioblastomas são conhecidos por terem alta frequência de metilação em CGIs / locais promotores. Por exemplo, a proteína 3 da membrana epitelial (EMP3) é um gene que está envolvido na proliferação celular, bem como nas interações celulares. Acredita-se que também funcione como supressor de tumor e, nos glioblastomas, é demonstrado que é silenciado por hipermetilação. Além disso, a introdução do gene em neuroblastos silenciados com EMP3 resulta na redução da formação de colônias, bem como na supressão do crescimento do tumor. Em contraste, a hipermetilação dos sítios promotores também pode inibir a atividade dos oncogenes e prevenir a tumorigênese. Vias oncogênicas, como a via de sinalização do fator de crescimento de transformação (TGF) -beta, estimulam a proliferação das células. Em glioblastomas, a hiperatividade dessa via está associada a formas agressivas de crescimento tumoral. A hipermetilação do PDGF-B , o alvo do TGF-beta, inibe a proliferação descontrolada.
Hipometilação e modificação aberrante de histona
A redução global na metilação está implicada na tumorigênese . Mais especificamente, a desmetilação CpG amplamente difundida, contribuindo para a hipometilação global, é conhecida por causar instabilidade genômica levando ao desenvolvimento de tumores. Um efeito importante dessa modificação do DNA é a ativação transcricional de oncogenes. Por exemplo, a expressão de MAGEA1 intensificada por hipometilação interfere na função de p53.
Padrões aberrantes de modificações de histonas também podem ocorrer em loci específicos e, em última instância, manipular a atividade do gene. Em termos de sítios promotores CGI, metilação e perda de acetilação ocorrem com freqüência em H3K9. Além disso, a dimetilação e a trimetilação de H3K9 são marcas repressivas que, juntamente com os domínios diferencialmente metilados bivalentes, têm a hipótese de tornar os genes supressores de tumor mais suscetíveis ao silenciamento. A presença anormal ou falta de metilação em glioblastomas está fortemente ligada a genes que regulam a apoptose, reparo de DNA, proliferação celular e supressão tumoral. Um dos exemplos mais conhecidos de genes afetados pela metilação aberrante que contribui para a formação de glioblastomas é o MGMT , um gene envolvido no reparo do DNA que codifica a proteína O6-metilguanina-DNA metiltransferase . A metilação do promotor MGMT é um importante preditor da eficácia dos agentes alquilantes para direcionar os glioblastomas. A hipermetilação do promotor MGMT causa silenciamento transcricional e é encontrada em vários tipos de câncer, incluindo glioma, linfoma, câncer de mama, câncer de próstata e retinoblastoma.
Neuroplasticidade
Neuroplasticidade refere-se à capacidade do cérebro de sofrer rearranjo sináptico em resposta a estímulos recorrentes. As proteínas neurotrofinas desempenham um papel importante no rearranjo sináptico, entre outros fatores. Esgotamento de neurotrofina BDNF ou de sinalização BDNF é um dos principais fatores no desenvolvimento de doenças como a doença de Alzheimer , doença de Huntington e depressão . A neuroplasticidade também pode ocorrer como consequência de modificações epigenéticas direcionadas, como metilação e acetilação. A exposição a certos estímulos recorrentes leva à desmetilação de locais específicos e à remetilação em um padrão que leva a uma resposta a esse estímulo específico. Como os leitores de histonas, borrachas e escritores também modificam as histonas removendo e adicionando marcas de modificação, respectivamente. Uma borracha, neuroLSD1, é uma versão modificada da Lysine Demethylase 1 (LSD1) original que existe apenas em neurônios e auxilia na maturação neuronal. Embora ambas as versões do LSD1 compartilhem o mesmo alvo, seus padrões de expressão são muito diferentes e o neuroLSD1 é uma versão truncada do LSD1. NeuroLSD1 aumenta a expressão de genes precoces imediatos (IEGs) envolvidos na maturação celular. Estímulos recorrentes levam à expressão diferencial de neuroLSD1, levando ao rearranjo dos loci. Acredita-se que a borracha também desempenhe um papel importante na aprendizagem de muitos comportamentos complexos e é a forma pela qual os genes interagem com o ambiente.
Doenças neurodegenerativas
doença de Alzheimer
A doença de Alzheimer (DA) é uma doença neurodegenerativa conhecida por afetar progressivamente a memória e incitar a degradação cognitiva . Acredita-se que modificações epigenéticas tanto globalmente quanto em genes candidatos específicos contribuam para a etiologia desta doença. A análise imunohistoquímica de tecidos cerebrais post-mortem em vários estudos revelaram diminuições globais tanto na 5-metilcitosina (5mC) quanto na 5-hidroximetilcitosina (5hmC) em pacientes com DA em comparação com os controles. No entanto, evidências conflitantes mostraram níveis elevados desses marcadores epigenéticos nos mesmos tecidos. Além disso, essas modificações parecem ser afetadas precocemente nos tecidos associados à fisiopatologia da DA. A presença de 5mC nos promotores dos genes está geralmente associada ao silenciamento gênico. Acredita-se que 5hmC, que é o produto oxidado de 5mC, via dez-onze-translocase (TET), esteja associado à ativação da expressão gênica, embora os mecanismos subjacentes a essa ativação não sejam totalmente compreendidos.
Independentemente das variações nos resultados da análise metilômica entre os estudos, sabe-se que a presença de 5hmC aumenta com a diferenciação e envelhecimento das células no cérebro. Além disso, os genes que têm uma alta prevalência de 5hmC também estão implicados na patologia de outras doenças neurodegenerativas relacionadas à idade e são reguladores-chave do transporte de íons, desenvolvimento neuronal e morte celular. Por exemplo, a superexpressão de 5-lipoxigenase (5-LOX), uma enzima que gera mediadores pró-inflamatórios do ácido araquidônico, em cérebros com DA está associada à alta prevalência de 5hmC na região promotora do gene 5-LOX.
Esclerose Lateral Amiotrófica
As modificações de DNA em diferentes locais de transcrição demonstraram contribuir para doenças neurodegenerativas. Isso inclui alterações transcricionais prejudiciais, como as encontradas na funcionalidade do neurônio motor associada à Esclerose Lateral Amiotrófica (ELA). A degeneração dos neurônios motores superiores e inferiores, que contribui para a atrofia muscular em pacientes com ELA, está ligada às modificações da cromatina em um grupo de genes-chave. Um sítio importante que é regulado por eventos epigenéticos é a expansão da repetição de hexanucleotídeo em C9orf72 dentro do cromossomo 9p21 . A hipermetilação das ilhas CpG relacionadas a C9orf72 está associada à expansão repetida em tecidos afetados por ALS. No geral, o silenciamento do gene C9orf72 pode resultar em haploinsuficiência e, portanto, influenciar a apresentação da doença. A atividade dos modificadores da cromatina também está ligada à prevalência de ALS. DNMT3A é um importante agente de metilação e foi demonstrado que está presente em todo o sistema nervoso central de pessoas com ALS. Além disso, a superexpressão desta metil transferase de novo também está implicada na morte celular de análogos de neurônios motores .
Neuro-oncologia
Acredita-se que uma infinidade de mudanças genéticas e epigenéticas nos perfis de DNA das células cerebrais estejam relacionadas à tumorgenesis . Essas alterações, junto com as mudanças nas funções das proteínas, induzem proliferação, expansão e metástase celular descontrolada . Enquanto eventos genéticos, como deleções, translocações e amplificação dão origem à ativação de oncogenes e desativação de genes supressores de tumor, as alterações epigenéticas silenciam ou regulam positivamente esses mesmos genes por meio de modificações importantes da cromatina.
Neurotoxicidade
Neurotoxicidade refere-se a danos causados ao sistema nervoso central ou periférico devido à exposição química, biológica ou física a toxinas . A neurotoxicidade pode ocorrer em qualquer idade e seus efeitos podem ser de curto ou longo prazo, dependendo do mecanismo de ação da neurotoxina e do grau de exposição.
Certos metais são considerados essenciais devido ao seu papel nas principais vias bioquímicas e fisiológicas, enquanto os metais restantes são caracterizados como não essenciais. Os metais não essenciais não têm função em nenhuma via biológica e a presença e o acúmulo no cérebro da maioria deles podem levar à neurotoxicidade. Esses metais não essenciais, quando encontrados dentro do corpo, competem com os metais essenciais pelos locais de ligação, perturbam o equilíbrio antioxidante e seu acúmulo no cérebro pode levar a efeitos colaterais prejudiciais, como depressão e deficiência intelectual . Um aumento nas concentrações não essenciais de metais pesados em fontes de ar, água e alimentos, e em produtos domésticos, aumentou o risco de exposição crônica.
Acetilação , metilação e modificação de histonas são alguns dos marcadores epigenéticos mais comuns . Embora essas mudanças não afetem diretamente a sequência de DNA , elas são capazes de alterar a acessibilidade a componentes genéticos, como as regiões promotoras ou potenciadoras , necessárias para a expressão gênica . Estudos têm demonstrado que a exposição materna de longo prazo ao chumbo (Pb) contribui para a redução da metilação em áreas do epigenoma fetal, por exemplo, as sequências repetitivas interespacadas (IRSs) Alu1 e LINE-1. A hipometilação desses IRSs tem sido associada ao aumento do risco de câncer e doenças autoimunes mais tarde na vida. Além disso, estudos encontraram uma relação entre a exposição pré-natal crônica ao Pb e doenças neurológicas, como Alzheimer e esquizofrenia , bem como problemas de desenvolvimento. Além disso, as alterações de acetilação e metilação induzidas pela superexposição ao chumbo resultam na diminuição da neurogênese e da capacidade de diferenciação dos neurônios e, consequentemente, interferem no desenvolvimento inicial do cérebro .
A superexposição a metais essenciais também pode ter consequências prejudiciais ao epigenoma. Por exemplo, quando o manganês , um metal normalmente usado pelo corpo como co - fator , está presente em altas concentrações no sangue, ele pode afetar negativamente o sistema nervoso central. Estudos têm demonstrado que o acúmulo de manganês leva à morte das células dopaminérgicas e, consequentemente, desempenha um papel no aparecimento da doença de Parkinson (DP). Uma marca registrada da doença de Parkinson é o acúmulo de α-sinucleína no cérebro. O aumento da exposição ao manganês leva à regulação negativa da proteína quinase C delta (PKCδ) por meio da acetilação diminuída e resulta no dobramento incorreto da proteína α-sinucleína que permite a agregação e desencadeia a apoptose de células dopaminérgicas.
Pesquisar
O interesse pela área, bem como pela pesquisa, cresceu recentemente, devido aos avanços tecnológicos que facilitam uma melhor resolução das mínimas modificações feitas no DNA. No entanto, mesmo com os avanços significativos da tecnologia, estudar a biologia dos fenômenos neurológicos, como a cognição e o vício, apresenta seu próprio conjunto de desafios. O estudo biológico dos processos cognitivos, especialmente com humanos, tem muitas ressalvas éticas. Alguns procedimentos, como biópsias cerebrais de pacientes com síndrome de Rett, geralmente exigem uma amostra de tecido fresco que só pode ser extraída do cérebro do indivíduo falecido. Nesses casos, os pesquisadores não têm controle sobre a idade da amostra de tecido cerebral, limitando assim as opções de pesquisa. Em caso de dependência de substâncias como o álcool, os pesquisadores utilizam modelos de ratos para espelhar a versão humana da doença. No entanto, os modelos de camundongos recebem volumes maiores de etanol do que os humanos normalmente consomem, a fim de obter fenótipos mais proeminentes. Portanto, embora o organismo modelo e as amostras de tecido forneçam uma aproximação precisa da biologia dos fenômenos neurológicos, essas abordagens não fornecem uma imagem completa e precisa dos processos exatos subjacentes a um fenótipo ou doença.
A neuroepigenética também permaneceu subdesenvolvida devido à controvérsia em torno da classificação das modificações genéticas em neurônios maduros como fenômenos epigenéticos . Essa discussão surge devido ao fato de que os neurônios não sofrem mitose após a maturação, embora a definição convencional de fenômenos epigenéticos enfatize as mudanças hereditárias passadas de pais para filhos. No entanto, várias modificações de histonas são colocadas por modificadores epigenéticos, como DNA metiltransferases (DNMT) em neurônios e essas marcas regulam a expressão do gene ao longo da vida do neurônio. As modificações influenciam fortemente a expressão gênica e o arranjo das sinapses dentro do cérebro. Finalmente, embora não sejam herdadas, a maioria dessas marcas são mantidas ao longo da vida da célula, uma vez que são colocadas na cromatina.