Epigenética na aprendizagem e memória - Epigenetics in learning and memory
Embora os mecanismos celulares e moleculares de aprendizagem e memória tenham sido um foco central da neurociência , foi apenas nos últimos anos que a atenção se voltou para os mecanismos epigenéticos por trás das mudanças dinâmicas na transcrição de genes responsáveis pela formação e manutenção da memória . A regulação do gene epigenética frequentemente envolve a marcação física (modificação química) do DNA ou proteínas associadas para causar ou permitir mudanças duradouras na atividade do gene. Mecanismos epigenéticos, como metilação do DNA e modificações nas histonas ( metilação , acetilação e desacetilação ), têm demonstrado desempenhar um papel importante na aprendizagem e na memória.
Metilação de DNA
A metilação do DNA envolve a adição de um grupo metil a um resíduo de citosina 5 ' . Isso geralmente ocorre em citosinas que fazem parte de um dinucleotídeo citosina-guanina ( sítios CpG ). A metilação pode levar à ativação ou repressão da transcrição do gene e é mediada pela atividade de DNA metiltransferases (DNMTs). O DNMT3A e o DNMT3B regulam a metilação de novo dos locais CpG, enquanto o DNMT1 mantém os padrões de metilação estabelecidos. S-adenosil metionina atua como o doador de metila.
A hipótese atual de como a metilação do DNA contribui para o armazenamento de memórias é que as mudanças dinâmicas na metilação do DNA ocorrem temporariamente para ativar a transcrição de genes que codificam proteínas cujo papel é estabilizar a memória.
DNMTs e memória
Miller e Sweatt demonstraram que ratos treinados em um paradigma de condicionamento do medo contextual tinham níveis elevados de mRNA para DNMT3a e DNMT3b no hipocampo . O condicionamento do medo é uma tarefa de memória associativa em que um contexto, como uma sala, é emparelhado com um estímulo aversivo , como um choque no pé; animais que aprenderam a associação apresentam níveis mais elevados de comportamento de congelamento quando expostos ao contexto, mesmo na ausência de estimulação aversiva. No entanto, quando os ratos foram tratados com os inibidores DNMT zebularina ou 5-aza-2′-desoxicitidina imediatamente após o condicionamento pelo medo, eles demonstraram aprendizagem reduzida (comportamento de congelamento). Quando os ratos tratados foram treinados novamente 24 horas depois, eles tiveram um desempenho tão bom quanto os ratos não tratados. Além disso, foi demonstrado que quando esses inibidores DNMT foram dados 6 horas após o treinamento, e os ratos foram testados 24 horas depois, os ratos exibiram memória de medo normal, indicando que DNMTs estão envolvidos especificamente na consolidação da memória. Esses achados revelam a importância das mudanças dinâmicas no estado de metilação na formação da memória.
Feng et al. criou camundongos knock out condicional dupla (DKO) para os genes DNMT3a e DNMT1. Foi demonstrado que esses camundongos enfraqueceram significativamente a potenciação de longo prazo (LTP) e estimularam muito mais facilmente a depressão de longo prazo (LTD) no hipocampo. Quando testado na tarefa de navegação de água de Morris , que é usada para estudar a memória espacial dependente do hipocampo , os ratos DNMT3a / DNMT1 DKO demoraram mais para encontrar a plataforma do que os ratos de controle. Camundongos knock-out únicos (SKO) para DNMT3a ou DNMT1 tiveram desempenho normal. Os camundongos DKO também foram incapazes de consolidar a memória após o condicionamento ao medo. Uma vez que os camundongos SKO não exibiram os mesmos defeitos de aprendizagem e memória que os camundongos DKO, concluiu-se que DNMT3a e DNMT1 desempenham papéis redundantes na regulação de aprendizagem e memória.
Quando DNMTs são inibidos no córtex pré-frontal , a evocação de memórias existentes é prejudicada, mas não a formação de novas. Isso indica que a metilação do DNA pode ser específica do circuito quando se trata de regular a formação e manutenção de memórias.
Alvos de metilação de DNA
O gene supressor de memória, a proteína fosfatase 1 ( PP1 ), demonstrou ter aumentado a metilação da ilha CpG após o condicionamento de medo contextual. Isso correspondeu a níveis diminuídos de mRNA de PP1 no hipocampo dos ratos treinados. Quando os DNMTs foram inibidos, o aumento da metilação no gene PP1 não foi mais observado. Esses dados sugerem que durante a consolidação da memória em tarefas de aprendizagem associativa, a metilação CpG é usada para inibir a expressão de PP1 , um gene que inibe negativamente a formação da memória.
Desmetilação e Memória
Enquanto a metilação do DNA é necessária para inibir os genes envolvidos na supressão da memória , a desmetilação do DNA é importante na ativação de genes cuja expressão está positivamente correlacionada com a formação da memória. Sweatt e Miller também mostraram que o gene reelin , que está envolvido na indução de potenciação de longo prazo, tinha um perfil de metilação reduzido e aumento do mRNA de reelin em ratos condicionados ao medo versus controle. O fator neurotrófico derivado do cérebro ( BDNF ), outro gene importante na plasticidade neural, também demonstrou reduzir a metilação e aumentar a transcrição em animais que passaram por aprendizado. Embora esses estudos tenham sido associados ao hipocampo , evidências recentes também mostraram aumento da desmetilação de reelin e BDNF no córtex pré-frontal medial (mPFC), uma área envolvida na cognição e emoção.
O mecanismo por trás dessa resposta de desmetilação dependente de experiência não era totalmente compreendido anteriormente, com algumas evidências mostrando que DNMTs podem estar envolvidos na desmetilação. Também foi sugerido que membros da família GADD45 de reparo de danos no DNA podem contribuir para esse processo de desmetilação. No entanto, mais recentemente, as vias ilustradas na Figura abaixo, intitulada "Desmetilação de 5-metilcitosina (5mC) no DNA do neurônio", especialmente a via dependente de TET , foram confirmadas como vias de desmetilação do DNA. Um papel para GADD45 também foi recentemente indicado, uma vez que GADD45 interage fisicamente com a timina-DNA glicosilase (TDG) e GADD45 pode promover a atividade de TDG em seu (s) papel (es) durante a conversão de 5mC em citosina.
Proteínas de Domínio de Ligação Metil (MBDs)
Os camundongos que têm interrupções genéticas para a proteína de ligação CpG 2 (MeCP2) demonstraram ter problemas significativos no hipocampo # Papel na memória dependente da memória e têm LTP do hipocampo prejudicado.
Metilação e distúrbios de aprendizagem e memória
Alterações na expressão de genes associados ao transtorno de estresse pós-traumático (PTSD), que é caracterizado por uma extinção prejudicada da memória traumática, podem ser mediadas pela metilação do DNA. Em esquizofrênicos , foi demonstrado que a reelina é regulada negativamente por meio do aumento da metilação do DNA nas regiões promotoras em interneurônios GABAérgicos . DNMT1 também mostrou ser regulado positivamente nessas células.
Metilação de histona
A metilação das histonas pode aumentar ou diminuir a transcrição do gene, dependendo de qual histona é modificada, do aminoácido que é modificado e do número de grupos metil adicionados. No caso da metilação da lisina , existem três tipos de modificações: lisinas monometiladas, dimetiladas ou trimetiladas. A di- ou trimetilação da histona H3 na lisina 9 (H3K9) foi associada a regiões transcricionalmente silenciosas, enquanto a di- ou trimetilação da histona H3 na lisina 4 (H3K4) está associada a genes transcricionalmente ativos.
Trimetilação de histona 3 lisina 4 e formação de memória
O hipocampo é uma importante região do cérebro na formação da memória. A trimetilação de H3K4 está associada à transcrição ativa. Em experimentos contextuais de condicionamento pelo medo em ratos, foi descoberto que os níveis de trimetilação do H3K4 aumentam no hipocampo após o condicionamento pelo medo. Nesses experimentos de Gupta et al., Foi feita uma conexão entre as mudanças na metilação das histonas e a expressão do gene ativo durante a consolidação de memórias associativas. Nesse mesmo estudo, também foi verificado que essas metilação das histonas eram reversíveis, pois os níveis de trimetilação do H3K4 voltaram aos níveis basais após um período de 24 horas. Isso indicou que a desmetilação ativa estava ocorrendo após a consolidação da memória . Para explorar ainda mais o papel de metiltransferases na formação da memória a longo prazo, este estudo aplicados os mesmos testes de condicionamento de medo em ratos deficientes em Mll , uma metiltransferase específica-H3K4. Os ratos com um gene Mll +/- mutante heterozigoto mostraram uma redução significativa em sua capacidade de formar memórias de longo prazo em comparação com ratos normais com um gene Mll intacto. Portanto, as metiltransferases H3K4, como Mll, devem ter um papel essencial na formação da memória de longo prazo no hipocampo.
A mudança no estado de metilação das histonas na localização de promotores de genes específicos, ao contrário de apenas em todo o genoma, também está envolvida na formação da memória. Os genes Zif268 e BDNF são essenciais para a consolidação da memória. A trimetilação de H3K4 aumenta em torno dos promotores Zif268 e BDNF após o condicionamento contextual do medo, quando esses genes são transcricionalmente ativos. Isso demonstra que, no momento da consolidação da memória, a transcrição de genes de formação de memória, como Zif268 e bdnf, é regulada pela metilação das histonas.
Dimetilação de histona 3 lisina 9 e formação de memória
A dimetilação da histona H3 lisina 9 está associada ao silenciamento transcricional . O complexo de proteína semelhante a G9a / G9a (GLP) é uma metiltransferase específica para produzir esta modificação. Um estudo examinou o papel do silenciamento transcricional mediado por G9a / GLP no hipocampo e no córtex entorrinal (CE) durante a consolidação da memória. Verificou-se que a inibição de G9a / GLP na CE, mas não no hipocampo, resulta no aumento da formação da memória de longo prazo. Além disso, a inibição de G9a / GLP no córtex entorrinal alterou a dimetilação da histona H3 lisina 9 na área Cornu Ammonis 1 do hipocampo, sugerindo a importância desse complexo na mediação da conectividade entre essas duas regiões do cérebro. Portanto, o complexo G9a / GLP desempenha um papel importante na metilação das histonas e na formação da memória de longo prazo no hipocampo e na CE.
Metilação de histonas e outras modificações epigenéticas
As marcas de metilação das histonas também estão correlacionadas com outras modificações epigenéticas, como a desacetilação das histonas e a metilação do DNA, no contexto da aprendizagem e da memória. A desacetilação reduzida da histona está correlacionada com um aumento na dimetilação de H3K9, uma modificação associada ao silenciamento transcricional. Portanto, os inibidores da histona desacetilase podem ser aplicados para aumentar a acetilação das histonas e suprimir a dimetilação de H3K9, aumentando assim a transcrição do gene. No caso da metilação do DNA, verificou-se que aumentos na trimetilação do H3K4 se correlacionam com a metilação do DNA alterada dos sítios CpG no promotor do Zif268 , um gene envolvido na formação da memória, após o condicionamento do medo. Gupta et al. mostraram que a metilação do DNA no promotor Zif268 aumentou após o condicionamento ao medo, correlacionando-se com um aumento na expressão do gene Zif268. Esta descoberta foi surpreendente, uma vez que se pensava anteriormente que a metilação do DNA resultava em silenciamento transcricional.
Acetilação de histona
A acetilação envolve a substituição de um hidrogênio por um grupo acetila . Em um contexto biológico, a acetilação está mais frequentemente associada à modificação de proteínas, especificamente histonas . A reação de acetilação é mais frequentemente catalisada por enzimas que contêm atividade de histona acetiltransferase (HAT).
Histona acetiltransferases (HATs)
HATs são enzimas responsáveis pela acetilação de aminoácidos. Acetilato de HATs convertendo o grupo lateral de lisina de aminoácidos com a adição de um grupo acetil de uma molécula de acetil CoA , criando acetil lisina . As enzimas HAT são mais frequentemente associadas às proteínas histonas e atuam para regular a interação entre as histonas e o DNA que as envolve. Os HATs não se restringem apenas à acetilação da histona, mas também podem acetilar muitas outras proteínas implicadas na manipulação da expressão gênica, como a dos fatores de transcrição e proteínas receptoras.
Remodelação da Cromatina
A acetilação é um dos principais mecanismos implicados no processo de remodelação da cromatina . A remodelação da cromatina afeta a regulação da expressão gênica, alterando a relação entre os nucleossomos e o DNA. A acetilação das histonas remove a carga positiva, o que reduz o nível de interação entre a histona anteriormente carregada positivamente e os grupos fosfato carregados negativamente do DNA envolvidos em torno do complexo do nucleossomo. Essa alteração nas cargas causa um relaxamento do DNA do nucleossomo; essa seção relaxada apresenta níveis mais elevados de expressão gênica do que as regiões não acetiladas.
Acetilação como um marcador epigenético
Os padrões de acetilação das histonas têm sido úteis como fonte de informação epigenética devido à sua capacidade de refletir mudanças nas taxas de transcrição e na manutenção dos padrões de expressão gênica. Este código de acetilação pode então ser lido e fornecer informações generosas para o estudo de padrões de herança de mudanças epigenéticas como o de aprendizagem, memória e estados de doença.
Acetilação como mecanismo de aprendizagem e memória
O papel dos mecanismos epigenéticos e da remodelação da cromatina tem sido implicado tanto na plasticidade sináptica quanto na expressão gênica neuronal. Estudos com inibidores do complexo histona desactilase como SAHA , tolueno , garcinol, tricostatina A e butirato de sódio mostraram que a acetilação é importante para a plasticidade sináptica do cérebro; ao inibir os complexos de desactilase, as taxas de acetilação total no cérebro aumentaram, levando a um aumento nas taxas de transcrição e na consolidação da memória. Usando vários testes de aprendizagem como o teste do labirinto de água de Morris e testes de condicionamento do medo em conjunto com drogas que influenciam a acetilação, foi mostrado que os padrões de acetilação no hipocampo são essenciais para a associação da memória e o comportamento de aprendizagem. Estudos com vários inibidores de HDAC e desenvolvimento neural mostraram aumento do aprendizado e da memória, como resultado de um estado de acetilação aumentado. Por outro lado, estudos conduzidos com inibidores de HAT produziram prejuízo na consolidação da memória e uma diminuição geral no aprendizado.
ERK / MAPK Cascade
Estudos demonstraram que a cascata ERK / MAPK é importante para a regulação da acetilação da lisina no córtex insular do cérebro (uma parte do cérebro envolvida na formação de memórias gustativas ). A ativação da cascata ERK / MAPK foi observada em camundongos após a introdução de um novo sabor, a cascata se mostrou necessária para a memória do sabor se formar. O mecanismo proposto para o funcionamento dessa cascata é que MAPK regula a acetilação das histonas e a subsequente remodelação da cromatina por meio de efetores a jusante, como a proteína de ligação CREB (que tem atividade HAT). Ao observar as taxas de acetilação no córtex insular, os pesquisadores foram capazes de determinar quais padrões de acetilação eram devidos à desacetilase ou atividade da acetilase e quais eram o resultado da atividade da lisina acetiltransferase.
Potencialização a longo prazo
A potenciação de longo prazo (LTP) é o aumento da força do sinal entre os neurônios. LTP é a base da plasticidade sináptica e desempenha um papel fundamental na formação da memória. LTP é dependente da atividade dos receptores NMDA no cérebro e foi demonstrado que a atividade NMDA influencia a acetilação. Quando os receptores NMDA são ativados, eles causam um influxo de cálcio na célula que, por sua vez, ativa várias vias de sinalização que, em última instância, ativam a via ERK, que então modula fatores de transcrição como CREB . O CREB então recruta um HAT para ajudar a criar e estabilizar a formação de memória de longo prazo, geralmente por meio da autoperpetuação de histonas acetiladas. Estudos feitos sobre a acetilação da histona H3 na região CA1 do hipocampo mostram que a ativação dos receptores NMDA aumentou a acetilação de H3 e, inversamente, a inibição da via ERK na região CA1 resultou em uma diminuição na acetilação de H3. Resumindo:
- A ativação do NMDA-R aumenta a fosforilação de ERK e a acetilação da histona H3
- A memória requer função NMDA-R adequada
- O condicionamento da memória aumenta a fosforilação de ERK e a acetilação da Histona H3
- ERK é regulado por fosforilação
- A acetilação da histona H3 é regulada por ERK
- Histona H4 não é regulada por ERK
- Os inibidores de HDAC aumentam a LTP, isso depende da taxa de transcrição
- Os inibidores de HDAC não afetam o NMDA-R
Deacetilação de histonas
Papel dos HDACs no CREB: ativação transcricional dependente de CBP
As histonas desacetilases (HDAC) removem os grupos acetil (-COCH3) das histonas, alterando as estruturas da cromatina e diminuindo a acessibilidade dos fatores de transcrição ao DNA, reduzindo assim a transcrição dos genes. HDACs têm mostrado desempenhar um papel na aprendizagem e na memória por meio de sua regulação no caminho CREB-CBP .
Estudos concluem que os inibidores de HDAC, como a tricostatina A (TSA), aumentam a acetilação das histonas e melhoram a plasticidade sináptica e a memória de longo prazo (Fig. 1A). CREB , uma proteína de ligação ao elemento de resposta de cAMP e ativador da transcrição, se liga a CBP formando o complexo CREB: CBP. Este complexo ativa genes envolvidos na formação sináptica e na memória de longo prazo. (Fig 1B) Os tratamentos com TSA na região CA1 do hipocampo de camundongos aumentaram os níveis de acetilação e aumentaram a potenciação de longo prazo (LTP), um mecanismo envolvido na aprendizagem e na memória (Fig 1B ) No entanto, os tratamentos com TSA em mutantes CBP sem domínios KIX não afetaram a LTP em camundongos (Fig. 1D). O domínio KIX permite a interação entre CREB e CBP, portanto, eliminar esta região interrompe a formação do complexo CREB: CBP. Knock outs de CREB produziram resultados semelhantes aos de camundongos CBP mutantes (Fig. 1C). Portanto, a inibição de HDAC e a associação CREB: CBP são ambas necessárias para o desenvolvimento da memória. TSA tratamentos apresentaram níveis aumentados de expressão NR4A1 e Nra2 genes enquanto outros genes regulados CREB não foram afectadas. Os inibidores de HDAC melhoram a memória por meio da ativação de genes específicos regulados pelo complexo CREB: CBP.
HDAC2
O papel dos HDACs individuais na aprendizagem e na memória não é bem compreendido, mas foi demonstrado que o HDAC2 regula negativamente a formação da memória e a plasticidade sináptica.
A superexpressão (OE) de HDAC1 e HDAC2 em camundongos resultou na diminuição dos níveis de lisinas acetiladas. Depois de expor esses camundongos ao contexto e aos experimentos de condicionamento de medo dependentes do tom, os camundongos HDAC1 OE não mudaram, mas os camundongos HDAC2 OE mostraram uma diminuição no comportamento de congelamento, sugerindo prejuízo na formação da memória. Por outro lado, camundongos com nocautes HDAC2 (KO) ilustraram níveis de congelamento aumentados em comparação com camundongos do tipo selvagem (WT), enquanto HDAC1 exibiu comportamentos de congelamento semelhantes aos WTs. Em resumo, Guan et al. mostraram que:
- HDAC2, não HDAC1, regula a sinaptogênese e a plasticidade sináptica . A superexpressão de HDAC2 diminui a densidade da coluna em neurônios piramidais CA1 e células granulares do giro dentado , mas HDAC2 KO mostra um aumento na densidade da coluna.
- A potenciação de longo prazo em neurônios CA1 não foi observada em camundongos HDAC2 OE, mas foi facilmente induzida em camundongos HDAC2 KO. O LTP não foi alterado entre camundongos HDAC1 KO e OE.
- HDAC2 suprime a expressão do gene neuronal. HDAC2 interagiu mais do que HDAC1 com promotores de formação de memória específicos, como Bdnf , Egr1 , Fos e GLUR1 .
- CoREST , um co-repressor, está associado a HDAC2 e não a HDAC1.
- SAHA , um inibidor de HDAC, aumentou o congelamento de camundongos HDAC2 OE em experimentos contextuais de medo e dependentes de tom, mas não afetou camundongos HDAC2 KO, sugerindo que HDAC2 é o principal alvo de SAHA
HDAC3
HDAC3 também é um regulador negativo da formação de potenciação de longo prazo. McQuown et al. mostraram que:
- KOs de HDAC3 no hipocampo dorsal resultou em memória aprimorada durante os testes de localização de objetos (OLM).
- RGFP136 , inibidor HDAC3, aumenta LTP para reconhecimento e localização de objetos
- RGFP136 aumenta LTP através de mecanismo dependente de CBP
- Deleções HDAC3 mostraram aumento Nr4a2 e c-Fos expressão
- HDAC3 interage com NCoR e HDAC4 para desempenhar seu papel na formação da memória
Papel dos HDACs nos distúrbios do SNC
A pesquisa mostrou que HDACs e HATs desempenham um papel crucial em distúrbios do sistema nervoso central (SNC), como a síndrome de Rett . A síndrome de Rubinstein-Tabyi causa retardo mental por meio de possíveis mutações na proteína de ligação CREB e p300 . No entanto, o aumento da expressão de genes dependentes de CREB ou a inibição da atividade de HDAC restaura parcialmente a perda de LTP e melhora os déficits tardios de LTP. O inibidor de HDAC como o TSA pode fornecer uma possível terapia para a síndrome de Rubinstein-Tabyi. Outros distúrbios de déficit de memória que podem envolver inibidores de HDAC como terapia potencial são:
- Ataxia de Friedreich
- Atrofia muscular espinhal
- Esclerose lateral amiotrófica
- Atrofia muscular espinhal e bulbar
- Doença de Huntington
- Ataxias espinocerebelares
- Atrofia dentatorubropallidoluysian
- doença de Alzheimer
- Doença de Niemann Pick tipo C
Papel da DNA Topoisomerase II Beta na aprendizagem e memória
Durante uma nova experiência de aprendizagem , um conjunto de genes é rapidamente expresso no cérebro . Esta expressão gênica induzida é considerada essencial para o processamento da informação que está sendo aprendida. Esses genes são referidos como genes iniciais imediatos (IEGs). A atividade da DNA Topoisomerase II Beta (TOP2B) é essencial para a expressão de IEGs em um tipo de experiência de aprendizado em camundongos denominada memória de medo associativa. Tal experiência de aprendizado parece desencadear rapidamente o TOP2B para induzir quebras de fita dupla no DNA promotor dos genes IEG que funcionam na neuroplasticidade . O reparo dessas quebras induzidas está associado à desmetilação do DNA dos promotores do gene IEG, permitindo a expressão imediata desses genes IEG.
As quebras de fita dupla induzidas durante uma experiência de aprendizagem não são reparadas imediatamente. Cerca de 600 sequências regulatórias em promotores e cerca de 800 sequências regulatórias em potenciadores parecem depender de quebras de fita dupla iniciadas pela topoisomerase 2-beta (TOP2B) para ativação. A indução de quebras de fita dupla particulares são específicas em relação ao seu sinal de indução. Quando os neurônios são ativados in vitro , apenas 22 das quebras de fita dupla induzidas por TOP2B ocorrem em seus genomas.
Essas quebras de fita dupla induzidas por TOP2B são acompanhadas por pelo menos quatro enzimas da via de reparo de DNA de junção de extremidade não homóloga (NHEJ) (DNA-PKcs, KU70, KU80 e DNA LIGASE IV) (ver Figura). Essas enzimas reparam as quebras da fita dupla em cerca de 15 minutos a duas horas. As quebras de fita dupla no promotor estão, portanto, associadas a TOP2B e a pelo menos essas quatro enzimas de reparo. Essas proteínas estão presentes simultaneamente em um único nucleossomo promotor (há cerca de 147 nucleotídeos na sequência de DNA ao redor de um único nucleossomo) localizado próximo ao local de início da transcrição de seu gene alvo.
A quebra de fita dupla introduzida por TOP2B aparentemente libera a parte do promotor em um local de início da transcrição ligada à RNA polimerase para mover fisicamente para seu intensificador associado (ver sequência regulatória ). Isso permite que o potenciador, com seus fatores de transcrição ligados e proteínas mediadoras , interaja diretamente com a RNA polimerase pausada no local de início da transcrição para iniciar a transcrição .
O condicionamento contextual do medo no mouse faz com que ele tenha uma memória de longo prazo e tenha medo do local em que ocorreu. O condicionamento contextual do medo causa centenas de DSBs no córtex pré-frontal medial do cérebro de camundongos (mPFC) e neurônios do hipocampo (ver Figura: regiões do cérebro envolvidas na formação da memória}. Esses DSBs ativam predominantemente genes envolvidos em processos sinápticos, que são importantes para o aprendizado e a memória.
Funções de ROS e OGG1 na memória e aprendizagem
Conforme revisado por Massaad e Klann em 2011 e por Beckhauser et al. em 2016, as espécies reativas de oxigênio (ROS) são necessárias para o aprendizado normal e as funções de memória.
Um dos produtos mais frequentes da oxidação do DNA das ROS é a 8-hidroxi-2'-desoxiguanosina (8-OHdG). A remoção de bases oxidadas no DNA geralmente ocorre em questão de minutos, com meia-vida de 11 minutos para o 8-OHdG. Os níveis de estado estacionário de danos ao DNA endógeno representam o equilíbrio entre a formação e o reparo. 8-OHdGs estão entre os danos de DNA mais frequentes presentes no estado estacionário, com cerca de 2.400 nucleotídeos danificados com 8-OHdG na célula média de mamíferos. O nível de 8-OHdG em estado estacionário no cérebro é semelhante ao de outros tecidos.
A ocorrência de 8-OHdG nos neurônios parece ter um papel na memória e no aprendizado. A DNA glicosilase oxoguanina glicosilase (OGG1) é a principal enzima responsável pela excisão do 8-OHdG no reparo da excisão de base . No entanto, OGG1, que tem como alvo e se associa com 8-OHdG, também tem um papel no comportamento adaptativo, o que implica um papel fisiologicamente relevante para 8-OHdG combinado com OGG1 na cognição no cérebro adulto. Em particular, os camundongos OGG1 +/- heterozigotos, com cerca de metade do nível de proteína de OGG1, exibem um desempenho de aprendizagem pior no labirinto de Barnes em comparação com os animais do tipo selvagem.
Em células somáticas adultas, como os neurônios, a metilação do DNA normalmente ocorre no contexto de dinucleotídeos CpG ( sítios CpG ), formando 5-metilcitosina (5mC). Assim, um local CpG pode ser metilado para formar 5mCpG. A presença de 5mC em locais CpG em promotores de genes é amplamente considerada uma marca epigenética que atua suprimindo a transcrição. Se a guanina no local 5mCpG é atacada por ROS, levando à formação de 8-OHdG, OGG1 se liga à lesão de 8-OHdG sem excisão imediata do 8-OHdG. Quando OGG1 está presente em um local 5mCp-8-OHdG, ele recruta TET1 para a lesão de 8-OHdG e TET1 oxida o 5mC adjacente a 8-OHdG. Isso faz com que o 5mC entre na via de desmetilação do DNA (consulte a Figura intitulada "Iniciação da desmetilação do DNA em um local CpG"). Esta via é iniciada pela formação de 5-hidroximetilcitosina , que pode permanecer no DNA, ou pode haver outras reações oxidativas seguidas por reparo de excisão de base, para retornar o nucleosídeo nessa posição à citosina (ver Figura "Desmetilação de 5-Metilcitosina ( 5mC) no DNA de neurônios ").
O número total de locais CpG no genoma humano é de aproximadamente 28 milhões e a frequência média de locais CpG no genoma é de cerca de 1 por cem pares de bases. Uma situação de aprendizado intenso pode ser aplicada a ratos, conhecida como condicionamento de medo contextual . Isso pode resultar em uma memória de medo para toda a vida após um único evento de treinamento. Embora a memória de longo prazo desse evento pareça ter sido primeiro armazenada no hipocampo, esse armazenamento é transitório e não permanece no hipocampo. Muito do armazenamento de longo prazo da memória de condicionamento do medo contextual parece ocorrer no córtex cingulado anterior. (Ver Figura: regiões do cérebro envolvidas na formação da memória e também esta referência.) Quando o condicionamento contextual do medo é aplicado a um rato, mais de 5.000 regiões diferencialmente metiladas (DMRs) (de 500 nucleotídeos cada) ocorrem no genoma neural do hipocampo do rato, ambos uma hora e 24 horas após o condicionamento no hipocampo. Isso faz com que cerca de 500 genes sejam regulados positivamente (frequentemente devido à hipometilação dos locais CpG) e cerca de 1.000 genes sejam regulados negativamente (frequentemente devido a 5mC recém-formados em locais CpG em uma região promotora). O padrão de genes induzidos e reprimidos dentro dos neurônios parece fornecer uma base molecular para a formação dessa primeira memória transitória desse evento de treinamento no hipocampo do cérebro do rato. Quando o condicionamento contextual do medo semelhante é aplicado a um camundongo, uma hora após o condicionamento contextual do medo havia 675 genes desmetilados e 613 genes hipermetilados na região do hipocampo do cérebro do camundongo. Essas mudanças foram transitórias nos neurônios do hipocampo e quase nenhuma estava presente após quatro semanas. No entanto, em camundongos submetidos ao condicionamento de medo condicional, após quatro semanas, havia mais de 1.000 genes diferencialmente metilados e mais de 1.000 genes diferencialmente expressos no córtex cingulado anterior, onde memórias de longo prazo são armazenadas no cérebro do camundongo.