Mechanisms of Transcription in Memory Persistence. Role of NF-kappaB and Che-1.

Project leaders

Nicoletta Corbi, Arturo Gabriel Romano

Agreement

ARGENTINA - CONICET - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas

Call

CNR/CONICET biennio 2017-2018 2017-2018

Department

Biomedical sciences

Thematic area

Biomedical sciences

Status of the project

New

Research proposal

La regolazione dell'espressione genica è un evento fondamentale nel mantenimento della memoria a lungo termine (Alberini 2009). Il ruolo di NF-kB nella memoria è stato evidenziato dal gruppo di ricerca del Prof. Romano (Freudenthal 2000, Merlo 2002, Freudenthal 2005, Boccia 2007, Salles 2015), controparte argentina della domanda di cooperazione. Nell'ultima decade è emerso che meccanismi epigenetici, come l'acetilazione degli istoni, svolgono un ruolo fondamentale nella formazione della memoria sia in invertebrati che vertebrati (Kandel 2002, Federman, 2009, 2012 e 2013). In particolare, l'acetilazione degli istoni in corrispondenza di specifici residui di lisina modifica la struttura della cromatina, permettendo l'esposizione di sequenze di DNA regolative all'apparato trascrizionale. L'acetilazione di fattori trascrizionali come NF-kB, ad opera della proteina CBP (CREB binding protein), coattivatore trascrizionale con attività istonacetiltransferasica (HAT), è stata proposta come requisito per l'induzione dell'espressione genica (Yeh 2004). Coerentemente, l'effetto HAT è controbilanciato dalle proteine ad azione deacetilasica ed è stato dimostrato che l'inibizione di HDAC mediante farmaci come tricostatina A (TSA) induce una facilitazione della memoria prolungando l'attività di NF-kB (Federman, 2009, 2012 e 2013). La collaborazione tra il gruppo italiano e il gruppo argentino ha prodotto importanti risultati e tre pubblicazioni internazionali dal 2013 ad oggi. In particolare abbiamo messo in evidenza per la prima volta l'importanza di una acetilazione degli istoni "NF-kB dipendente", in forme persistenti della memoria (Federman N, de la Fuente V, Zalcman G, Corbi N, Onori A, Passananti C and Romano A. The Journal of Neuroscience 2013, 33(17):7603-7614). Sono stati effettuati "training" di differenti intensità in topi sottoposti al test "Novel Object Recognition" (NOR). Solamente un training intenso ha indotto una memoria perdurante, associata ad un aumento della acetilazione dell'istone H3 in ippocampo. In questo contesto l'inibizione di NF-kB ha indotto una compromissione della persistenza della memoria con concomitante riduzione della acetilazione dell'istone H3. In accordo con questi risultati, è stato da noi riscontrato un incremento rilevante della acetilazione di H3 in corrispondenza del promotore del gene Camk2d regolato da NF-kB, fenomeno dipendente dalla presenza/attivazione di NF-kB (Federman 2013).
Che-1/AATF è stato identificato dal nostro gruppo di ricerca attraverso "screening di doppio ibrido" utilizzando come esca la subunità 11 dell'RNA polimerasi II (Fanciulli 2000, Bruno 2002). La proteina Che-1 risulta "down-regolata" in numerosi tumori umani e in particolare nei carcinomi del colon, in cui Che-1 attiva la trascrizione di geni come l'oncosoppressore p21, agendo come competitore di HDAC (Di Padova 2003). La proteina Che-1 può influenzare l'espressione genica agendo come competitore generale di HDAC in differenti contesti, promuovendo l'acetilazione di istoni in corrispondenza di promotori di specifici geni (Iezzi 2015). In risposta al danno al DNA Che-1 viene fosforilata dalle chinasi ATM/ATR e ChK2 (Bruno 2006). Di rilievo per questo progetto è la dimostrazione che la fosforilazione di Che-1 provoca oltre alla sua stabilizzazione anche modificazioni molecolari che inducono un legame diretto di Che-1 con la subunità p65 del complesso NF-kB, contribuendo così all'attività trascrizionale di questo fattore (Bruno et al 2008). Tramite esperimenti di co-immunoprecipitazione (dati non pubblicati) è stata da noi rilevata un'interazione diretta tra le proteine NF-kB e Che-1 nel nucleo, in ippocampo di topo. Abbiamo quindi valutato la capacità di formare memoria in topi Knock-out eterozigoti per Che-1 (Che-1 +/- ). I topi Che-1 +/-sottoposti al test NOR hanno mostrato un significativo deficit di persistenza della memoria (analisi a 7 giorni). I risultati ottenuti hanno portato ad una recente pubblicazione Italo-Argentina, in cui viene riportato per la prima volta un coinvolgimento di Che-1 nei processi della memoria (Zalcman G, Corbi N, Di Certo MG, Mattei E. Federman N, Romano A, Neuroscience Letters 2016;632:169-174). Nel prossimo futuro studi molecolari e comportamentali saranno mirati a approfondire come Che-1 possa influenzare la persistenza della memoria, indagando su una possibile acetilazione degli istoni "Che-1 dipendente" e/o una attivazione di NF-kB da parte di Che-1 in questo contesto.
Sulla base dei dati da noi prodotti, la nostra ipotesi è che i livelli di espressione e/o modificazioni della proteina Che-1 e la sua associazione con NF-kB siano alla base dei meccanismi epigenetici coinvolti nella formazione della memoria. Il piano sperimentale a supporto di questa ipotesi e' riportato nella sezione: Pianificazione del lavoro

Bibliografia
-Alberini CM. Physiol Rev 2009,. 89: 121-145.
-Boccia M. et al. J Neurosci 2007, 27(49) 13436-13445.
-Bruno T et al Cancer Cell. 2002, 2(5):387-99.
-Bruno T et al Cancer Cell. 2006, 10(6):473-86
-Bruno T et al Cell Death Differ. 2008; 15(3):515-20.
-Di Padova et al J Biol Chem. 2003,;278(38):36496-50
-Fanciulli M et al FASEB J. 2000, 14(7):904-912.
-Federman N et al Learning and Memory. 2009, 16: 600-606.
-Federman, Net al Neuroscience 2012, 219 145-156.
-Federman N et al The Journal of Neuroscience, 2013, 33(17):7603-7614.
-Freudenthal R et al Brain Res 2000, 855: 274-81.
-Freudenthal et al European Journal of Neuroscience 2005, 21: 2845-2852.
-Kandel ER. Cell 2002, 111(4):483-93.
-Iezzi S, Fanciulli M.Front Genet. 2015;6:141
-Merlo, E. et al Neuroscience 2002, 112, 161-172
-Romano, A et al Europ J Neurosci 2006, 24: 1507-1516.
-Salles A, Boccia M, Blake M, Corbi N, Passananti C, Baratti CM, Romano A, Freudenthal R. Neuroscience 2015, 16;291:70-80.
-Zalcman, G., Corbi N, Di Certo MG, Mattei E, Federman N and Romano A. Neuroscience Letters 2016, 31;632:169-174.
-Yeh S.H., Lin C.H., Gean P.W.Mol Pharmacol. 2004, 65(5):1286-1.

Research goals

L'obiettivo generale del progetto è quello di studiare le basi molecolari del consolidamento e della persistenza della memoria a lungo termine in ippocampo di topo, con l'intento di delucidare il ruolo delle proteine NF-kB e Che-1 in questo ambito.
Gli obiettivi specifici sono:
1) Approfondire il ruolo e le interazioni della proteina chiave NF-kB;
2) Studiare il ruolo regolativo delle acetilasi/deacetilasi (HAT e HDAC) sulla cromatina (istoni) e sulla proteina NF-kB;
3) Studiare il ruolo della proteina Che-1 nei "pathways" molecolari/epigenetici coinvolti nei processi della memoria;
Per condurre gli studi comportamentali e molecolari presentati in dettaglio nella sezione "Pianificazione del lavoro" utilizzeremo i modelli murini sottoposti al test "Novel Object Recognition" NOR e i topi knockout eterozigoti per Che-1 (Che-1 +/-). Studieremo anche gli effetti sulla memoria in topi, in seguito a somministrazione in ippocampo di "small interfering RNA" (siRNA) per Che-1.
Gli esperimenti previsti per il I anno potrebbero essere proseguiti nel II anno, mentre esperimenti previsti per il II anno potrebbero iniziare nel corso del I anno.

Last update: 30/04/2024