Common molecules in memory formation and congenital intellectual disabilitya role for the ras-erk-creb pathway in cognition

Resumen

Los estudios con gemelos y el análisis de las alteraciones genéticas asociadas a la discapacidad intelectual (DI) apoyan la existencia de una base genética para la cognición. Las variadas funciones que desempeñan los genes asociados a DI incluyen regulación transcripcional tanto en el desarrollo embrionario del sistema nervioso como en la formación de memoria en el cerebro adulto. Estudios en invertebrados analizando las bases moleculares de formas simples de aprendizaje indicaron que el factor de transcripción CREB forma parte esencial del interruptor molecular que convierte memoria a corto plazo (STM) en memoria a largo plazo (LTM). En mamíferos, sin embargo, CREB puede ser dispensable o compensado por otros factores de transcripción en ciertas circunstancias durante el aprendizaje. Para mejorar nuestra comprensión del papel de CREB en memoria en mamíferos, hemos seguido una aproximación de ganancia de función analizando ratones transgénicos que expresan una proteína CREB constitutivamente activa (VP16CREB) en neuronas del cerebro anterior, incluyendo neuronas en el hipocampo, la amígdala, la corteza cerebral y el estriado. Análisis fisiológicos previos habían revelado que la expresión de esta variante de CREB facilitaba la plasticidad sináptica y aumentaba la excitabilidad neuronal. En el contexto de esta tesis, hemos llevado a cabo un análisis conductual detallado y encontrado dos efectos interesantes de la activación crónica de CREB en el aprendizaje. Por un lado, la inyección inmediatamente después del entrenamiento de anisomicina, un inhibidor de la síntesis proteica, no impidió que ratones VP16CREB formaran LTM en una prueba de miedo condicionado (Viosca et al., 2009a). Este resultado sugiere que la actividad de CREB puede ser suficiente para la consolidación de memoria en mamíferos y es consistente con estudios previos de LTP en el hipocampo de ratones VP16CREB. Basándonos en estas observaciones, proponemos un modelo en el que los productos génicos resultantes de la actividad de CREB son distribuidos por toda la célula y reclutados específicamente en aquéllas sinapsis estimuladas por el aprendizaje, de acuerdo con la hipótesis de marca y captura sináptica propuesta por Frey y Morris en 1997 para explicar la especificidad sináptica en procesos de LTM (Viosca et al., 2007). Por otro lado, nuestra evaluación conductual de ratones VP16CREB indica que aunque la expresión génica dependiente de CREB parece ser necesaria y suficiente para la formación de LTM en la prueba de miedo condicionado, la activación crónica de CREB no dio lugar a una mejora del aprendizaje y memoria espacial en el laberinto acuático de Morris, un paradigma con mayor demanda cognitiva (Viosca et al., 2009c). Los ratones VP16CREB podían adquirir la información espacial, pero la activación sostenida de CREB interfería específicamente con el acceso a esa memoria. En conjunto nuestros estudios indican que la regulación precisa de los niveles de actividad CREB es un requisito fundamental para el aprendizaje óptimo en tareas complejas como la navegación y memoria espacial. La importancia de la ruta de CREB en cognición también se apoya en la existencia de enfermedades congénitas caracterizadas por ID causadas por mutaciones en genes que codifican para componentes de la cascada de activación transcripcional dependiente de CREB. El Síndrome de Rubinstein-Taybi (SRT) es una enfermedad autosómica dominante compleja caracterizada por DI y causada por mutaciones en el gen que codifica para la proteína de unión a CREB (CBP) o, en una proporción menor de pacientes, por mutaciones en el gen parálogo EP300, que codifica para la proteína p300. CBP y p300 son coactivadores de muchos factores de transcripción, incluido CREB, y exhiben actividad acetilasa de lisinas, una actividad que contribuye a activar la transcripción. La caracterización previa de ratones deficientes en CBP había revelado que CBP y su actividad acetilasa de lisinas son necesarios para la consolidación de memoria y que un defecto de acetilación de histonas podría subyacer a los defectos cognitivos observados en pacientes con SRT. Para investigar la contribución de p300 a la etiología de SRT y a la formación de memoria, hemos analizado ratones heterocigotos deficientes en p300 (Viosca et al., 2009b). Hemos encontrado que los ratones p300+/- exhiben fenotipos reminiscentes a SRT tales como rasgos sindrómicos (dismorfia facial y retraso en el crecimiento) y alteraciones motoras (patrón de marcha anómalo y menor velocidad de natación). Sin embargo, solo encontramos un defecto leve de aprendizaje manifestado durante la fase de transferencia en el laberinto acuático de Morris. Además, nuestros análisis moleculares revelaron que la deficiencia de p300 no tiene efectos significativos en la expresión génica global en el hipocampo. La comparación de estos resultados con los obtenidos previamente en ratones deficientes en CBP sugiere que la función que desempeña p300 en procesos cognitivos es menos relevante o más susceptible de compensación que la que lleva a cabo CBP. La comparación de pacientes con SRT que portan mutaciones bien en CREBBP o en EP300 también apoya esta conclusión. Además de CREBBP y EP300, otros genes situados en la ruta de CREB también han sido asociados a ID. El síndrome de Costello (SC) es causado por mutaciones en H-Ras, un activador situado por encima de ERK en la ruta MAPK/ERK, una cascada de señalización por quinasas que acopla actividad neuronal a la fosforilación de CREB. Hemos analizado aquí un ratón modelo para SC, una cepa knockin expresando una mutación oncogénica (una substitución Glicina-Valina en el codón 12) en el locus H-Ras que exhibió, en un estudio previo, fenotipos similares a manifestaciones clínicas de SC como la dismorfia facial y cardiomiopatías. Nuestra caracterización neurológica reveló que el ratón H-RasG12V también recapitula algunas alteraciones conductuales observadas en niños con SC incluyendo hiperemotividad, hipersensibilidad y defectos cognitivos (Viosca et al., 2008). Concretamente, los ratones H-RasG12V mostraron hipolocomoción, mayor evitación de espacios abiertos y déficits de aprendizaje en el laberinto acuático de Morris. Concluimos que estos ratones ofrecen una herramienta experimental para examinar las alteraciones fisiológicas y moleculares que subyacen a los defectos cognitivos en SC y para evaluar nuevas terapias dirigidas a prevenir o paliar los defectos cognitivos y emocionales asociados a esta enfermedad.