¿La crotonilación de histonas en neurobiología: ¿ser o no ser?
La regulación epigenética constituye un mecanismo fundamental que gobierna la transcripción génica y el destino celular. Durante las últimas décadas, ha quedado claro que las modificaciones en histonas, ADN y ARN desempeñan roles críticos en la determinación del destino de las células madre neurales (CMN). Estas modificaciones incluyen procesos ampliamente estudiados como la acetilación y metilación de histonas, así como la metilación de ADN y ARN. Los ARN no codificantes también contribuyen significativamente a la diferenciación neural. Más allá de la acetilación, se han identificado otros tipos de acilaciones en lisinas de histonas, incluyendo crotonilación, propionilación, succinilación y malonilación. Sin embargo, los roles de estas acilaciones histónicas en neurociencia permanecen en gran medida inexplorados.
La crotonilación de histonas, un tipo de acilación de lisina de cadena corta, fue caracterizada inicialmente por el laboratorio de Zhao hace una década como un sello distintivo de la transcripción activa. Esta modificación es regulada reversiblemente por acetiltransferasas y desacetilasas. Específicamente, P300 y GCN5 actúan como «escritoras» de la crotonilación histónica, mientras que las desacetilasas de clase I y las Sirtuinas 1-3 funcionan como «borradoras». La concentración intracelular de crotonil-CoA, el sustrato para la crotonilación, es controlada por enzimas como la enoil-CoA hidratasa de cadena corta (ECHS1) y la proteína cromodominio-Y-like (CDYL). Estas enzimas modulan el grado de crotonilación histónica, influyendo así en la actividad transcripcional.
Se han identificado sitios clave de crotonilación en lisinas de histonas (Kcr), incluyendo H3K18cr, H2BK12cr, H3K9cr y H3K27cr. Estos sitios participan en la regulación transcripcional, y su distribución y dinámica difieren de las de la acetilación histónica, sugiriendo roles funcionales distintos a pesar de compartir maquinaria regulatoria. Las diferencias temporales y espaciales entre crotonilación y acetilación en la cromatina subrayan las contribuciones únicas de cada modificación a la expresión génica.
Estudios recientes han destacado roles críticos de la crotonilación histónica en procesos biológicos como disfunción cardíaca, espermatogénesis, biología tumoral, infecciones y desarrollo embrionario. Por ejemplo, la crotonilación en H3K18cr y H2BK12cr se ha vinculado con hipertrofia cardíaca en humanos y roedores. Además, se ha demostrado que la crotonilación promueve el compromiso endodérmico en células madre pluripotentes humanas y murinas. Estos hallazgos sugieren que la crotonilación histónica podría desempeñar roles significativos en el desarrollo y neurobiología. No obstante, la distribución genómica, los cambios dinámicos y las asociaciones con expresión génica de esta modificación durante procesos del desarrollo, particularmente en el sistema nervioso central, siguen siendo poco comprendidos.
Para abordar estas brechas, se han empleado enfoques multiómicos, incluyendo secuenciación de ARN masivo (RNA-seq), inmunoprecipitación de cromatina seguida de secuenciación (ChIP-seq) y ensayos de accesibilidad a la transposasa (ATAC-seq). El laboratorio de Liu en el Instituto de Zoología de la Academia China de Ciencias realizó análisis multiómicos que revelaron el papel crucial de la crotonilación histónica en la regulación de CMN. Sus estudios en el prosencéfalo embrionario demostraron que los genes diana de H3K9cr están asociados con el mantenimiento de la pluripotencia y la diferenciación neural. La crotonilación regula la expresión de genes metabólicos y de proliferación en células progenitoras neurales (CPN), activando promotores bivalentes, facilitando la apertura cromatínica y reclutando ARN polimerasa II, lo que reprograma el transcriptoma hacia la diferenciación neuronal.
En estudios posteriores, el mismo grupo describió perfiles dinámicos e interpretación funcional de crotonilación y lactilación de histonas durante el desarrollo neural, generando mapas epigenéticos que integran acetilación, metilación, crotonilación, lactilación y metilación de ADN. Estos avances ampliaron nuestra comprensión de los mecanismos epigenéticos que gobiernan las decisiones de destino de las CPN y sus implicaciones clínicas.
Persisten interrogantes clave: aunque se ha demostrado que la crotonilación pan-histónica regula genes de mantenimiento de pluripotencia neural, los sitios específicos de Kcr que determinan el destino de CPN in vivo e in vitro requieren mayor elucidación. Además, los mecanismos subyacentes a las funciones mediadas por crotonilación en neurobiología siguen siendo oscuros. Aunque se ha propuesto el eje regulatorio Kcr-miR-203-Bmi1, se necesitan estudios para identificar genes regulados por sitios Kcr específicos y cómo estas modificaciones remodelan el transcriptoma.
La integración de datos multiómicos con secuenciación de ARN unicelular ofrece oportunidades para descifrar las interacciones entre modificaciones epigenéticas en la modulación de la pluripotencia neural. Ya se ha identificado la participación de acetilación (H3K9ac, H3K27ac), metilación (H3K4me1/2/3, H3K9me3, H3K27me3, H3K36me3), lactilación (H3K18la) y metilación de ADN en el mantenimiento y diferenciación de CPN. La integración de estos datos podría proveer una visión holística del paisaje epigenético en el desarrollo neural.
Las implicaciones clínicas de la crotonilación histónica en enfermedades cerebrales también requieren mayor exploración. Hallazgos experimentales ofrecen pistas: niveles elevados de Kcr se observan en cerebros de ratones BTBR T+Itpr3tf/J con trastornos del desarrollo neurológico. Además, ECHS1, regulador de crotonilación, es crucial para el desarrollo cerebral humano. Mutaciones en ECHS1 causan defectos como el síndrome de Leigh, enfermedad neurodegenerativa pediátrica. La deleción germinal de ECHS1 en ratones induce muerte embrionaria, posiblemente por defectos en el sistema neuronal. Estos datos sugieren que la desregulación de la crotonilación podría contribuir a neuropatías.
CDYL, otro regulador de crotonilación, se ha vinculado con epilepsia. En ratones, CDYL suprime la epileptogénesis al reprimir canales de sodio Nav1.6, mientras que su deficiencia altera la migración neuronal y aumenta la susceptibilidad a convulsiones. Un estudio de asociación genómica identificó un locus cerca de CDYL en pacientes con epilepsia farmacorresistente, aunque se requieren cohortes más amplias para confirmar su papel causal. Además, la crotonilación mediada por CDYL regula la depresión inducida por estrés, aunque los mecanismos subyacentes permanecen inciertos.
Curiosamente, el crotonato, metabolito de microbiota intestinal, contribuye a la crotonilación histónica. Esto sugiere un posible vínculo entre crotonilación, crotonato y el eje intestino-cerebro, implicando que la salud cerebral y enfermedades podrían modularse mediante estas modificaciones epigenéticas.
En conclusión, los estudios recientes sobre crotonilación histónica en neurobiología abren nuevas vías de investigación y avances terapéuticos. La exploración de sus roles en desarrollo neural y enfermedades, junto con estrategias terapéuticas dirigidas a la crotonilación, será crucial para profundizar nuestro entendimiento de la neurobiología. La integración de enfoques multiómicos y tecnologías de secuenciación unicelular proveerá insights fundamentales sobre los mecanismos epigenéticos que gobiernan el destino de las células madre neurales y sus implicaciones en salud y enfermedad cerebral.
doi.org/10.1097/CM9.0000000000001945