Regolazione dell’attività trascrizionale di CREB nei neuroni e suoi coattivatori

La proteina CREB è ampiamente espressa nel cervello e in particolare nelle regioni essenziali per codificare l'apprendimento e la memoria, tra cui l'ippocampo e la corteccia. CREB è una proteina da 43 kDa che si lega alla sequenza consenso CRE altamente conservata 5'-TGACGTCA-3'. CREB appartiene alla superfamiglia bZIP dei fattori di trascrizione che sono strutturalmente caratterizzati da un dominio a cerniera della leucina che media la dimerizzazione e una regione basale C-terminale che si lega al DNA. Questa famiglia di fattori di trascrizione include CREB, il modulatore di elezione (cAMP) e il

fattore di trascrizione 1 (ATF-1) (Lonze & Ginty, 2002). L'omolettura e la struttura della sequenza consentono interazioni omo- ed eterodimeriche tra i membri di questa famiglia di fattori di trascrizione. È stato descritto che isoforme di splicing alternativo di CREM e CREB agiscono come attivatori o repressori della trascrizione (Foulkes, Borrelli, & Sassone-Corsi, 1991)(Walker & Habener, n.d.). Diversi stimoli extracellulari convergono nel nucleo per attivare l'espressione genica attraverso CREB. (Figura 2) Segnali cellulari che aumentano i livelli intracellulari di cAMP e Ca2+ _{innescano la fosforilazione del}

CREB sulla Ser133, un passaggio obbligato per la trascrizione CREB-dipendente di più geni tra cui somatostatina e c-fos (Gonzalez & Montminy, 1989)(Sheng, Thompson, & Greenberg, 1991). Diverse chinasi attivate dai secondi messaggeri sono in grado di fosforilare CREB su Ser133, rendendola un punto di potenziale convergenza per più vie di segnalazione intracellulare. Tra le chinasi che mediano la fosforilazione di CREB sulla Ser133 ci sono Ca2+_{/calmodulina (CaM), le proteine chinasi CaMKII e CaMKIV, la}

proteina chinasi attivata con ras-mitogeno (MAPK/ERK), e le chinasi attivate da MAPK e cAMP-protein chinasi A dipendente (PKA) (Deisseroth, Bito, & Tsien, 1996). L'attivazione di CREB da parte di chinasi distinte dipende da diversi fattori tra cui il tipo di cellula, lo stimolo fisiologico e i secondi messaggeri coinvolti. La fosforilazione della proteina CREB è rapidamente evocata dagli stimoli sinaptici che inducono il potenziamento e la depressione della forza sinaptica, mentre i potenziali d'azione ad alta frequenza da soli non riescono a indurre la fosforilazione della proteina CREB (Deisseroth et al., 1996). La fosforilazione della proteina CREB e la traslocazione nucleare indotte dall'attività sinaptica sono largamente mediate dall'infusione del Ca2+_,

dalla mobilizzazione di CaM al nucleo e dall'attivazione di CaMKIV (Deisseroth et al., 1998). Il meccanismo con il quale il Ca2+ _{locale viene trasportato al nucleo per attivare la}

trascrizione dei geni coinvolge la traslocazione di CaM mediata dai canali del calcio voltaggio dipendente di tipo L (VGCC), i recettori NMDA e l’attivazione del pathway MAPK/ERK (Dolmetsch, Pajvani, Fife, Spotts, & Greenberg, 2001). In effetti, il metodo specifico di ingresso del Ca2+ _{in un neurone determina quali percorsi di segnalazione}

saranno poi attivati e quali saranno le specifiche risposte cellulari al calcio. Per esempio, l'infusione di Ca2+ _{attraverso VGCC di tipo L apporta un contributo minore alla corrente}

dipendente dal CREB (Pardy et al., 1992)(A. E. West et al., 2001). La fosforilazione del CREB è essenziale ma non sufficiente per la trascrizione genica. Pertanto, neurotrasmettitori e fattori di crescita sono in grado di indurre la fosforilazione di CREB sulla Ser133, sebbene non inducano sempre l'espressione genica (Bonni, Ginty, Dudek, & Greenberg, 1995). La tempistica e la durata della fosforilazione di CREB sono cruciali per la trascrizione mediata da CREB. Per esempio, gli stimoli che inducono una fosforilazione a lungo termine di CREB sulla Ser133 si traducono in espressione genica dipendente dalla CRE (Bito, Deisseroth, & Tsien, 1996). CREB è rapidamente fosforilata da una via CaMKIV-dipendente in risposta all'attività neuronale indotta da condizioni depolarizzanti, stimolazione sinaptica o allenamento comportamentale (Bito et al., 1996). Questo è seguito da una fosforilazione decisamente più lenta ma duratura che dipende da CaMKIV e Ras/MAPK che sono importanti per l'attivazione dell'espressione genica (X. Wu & McMurray, 2001). Tuttavia, la trascrizione dipendente dalla proteina CREB dipende da molteplici meccanismi cellulari che agiscono di concerto con la fosforilazione di CREB sulla Ser133, inclusi ulteriori siti di fosforilazione, eventi di defosforilazione e legame con il macchinario trascrizionale attraverso i coattivatori. CREB contiene siti di consenso per diverse chinasi che regolano l'attività trascrizionale di CREB (Gonzalez & Montminy, 1989). La fosforilazione di CREB sulla Ser142 e sulla Ser143 in risposta a Ca2+ _{signaling, che è mediata da CaMKII e/o caseina chinasi II, è richiesta per la}

trascrizione genica dipendente dal Ca2+ _{indotta (Kornhauser et al., 2002). Le conseguenze}

funzionali di questi ulteriori siti di fosforilazione multipli sulla trascrizione dipendente dal CREB sono in gran parte poco chiare, sebbene sia possibile che esse partecipino alla regolazione di specifici programmi di espressione genica. La fosforilazione di CREB sulla Ser142 aumenta con la stimolazione della luce, mentre la mutazione della Ser142 nell’alanina nei topi knock-in riduce l'espressione di c-fos e mPer1 e sposta il ritmo circadiano (Mantamadiotis et al., 2002). Nelle demenze il ruolo stimolante della fosforilazione dei siti Ser142/Ser143 sulla trascrizione mediata da CREB abolisce l'interazione di CREB e CBP, suggerendo come CREB possa mediare programmi di espressione genica indipendentemente dal CBP (Kornhauser et al., 2002). L'inattivazione della calcineurina indotta dall'attività sinaptica estende i tempi e i livelli del CREB fosforilato e della trascrizione genica attraverso l'inattivazione della fosfatasi proteica

nucleare 1 (PP1) (Bito et al., 1996). Infine, il legame di CREB con i promotori contenenti CRE è strettamente regolato dal segnale dell’ossido nitrico e dai coattivatori di CREB (Riccio et al., 2006).

In che modo CREB facilita le risposte specifiche a particolari stimoli fisiologici? Diversi stimoli cellulari convergono sulla fosforilazione del CREB, un evento che media diverse risposte cellulari specifiche che attivano l'espressione di particolari insiemi di geni o programmi genici. Sebbene l'esatto meccanismo/i con cui CREB attiva l'espressione dei set di geni siano ancora in gran parte sconosciuti, le nuove conoscenze derivano dagli studi condotti sui suoi coattivatori. Quindi, mentre i segnali di cAMP e MAPK/stress inducono livelli simili di CREB fosforilato, il cAMP è il più efficace dei segnali di stress nella stimolazione della formazione di complessi CREB/CBP (Mayr, Canettieri, & Montminy, 2001). Questi risultati suggeriscono che gli effetti dei segnali cAMP e il mitogeno/segnale di stress sulla formazione del complesso CREB/CBP possono conferire selettività alla trascrizione genica.

Figura 2. Vie di segnalazione che regolano la trascrizione dipendente dal CREB nei neuroni. La comunicazione tra sinapsi, citoplasma e nucleo in risposta a molteplici stimoli extracellulari richiede la funzione e la coordinazione di più proteine citoplasmatiche e nucleari. Le variazioni dei livelli intracellulari di secondi messaggeri come Ca2+ _{e cAMP convergono nel citoplasma fosforilati (Ser133), attivano e}

traslocano CREB nel nucleo (frecce verdi). Molteplici vie di segnalazione si incrociano nei neuroni per regolare l’attività della proteina CREB (frecce rosse). L'attivazione simultanea di questi percorsi potrebbero contribuire alla trascrizione dipendente dal CREB richiesta per la memoria a lungo termine. Nella malattia di Alzheimer, Aβ generata dall'elaborazione dipendente da PS1/γ -secretasi di APP interferisce con le vie regolate dal CREB, compresi i recettori NMDA, i VGCC di tipo L, la PKA e la calcineurina. Abbreviazioni: peptide β, β-amiloide; AC, adenilato ciclasi; ATP, adenosina 5 '-rifosfato; Ca2+_/CaM,

calcio/calmodulina; CaMKII, chinasi II calcio/calmodulina-dipendente; CaMKIV, chinasi di calcio/calmodulina-dipendente IV; cAMP, adenosina ciclica 3 ', 5' -monofosfato; CaN, calcineurina; CBP, proteina legante CREB; CRE, elemento di risposta cAMP; CREB, proteina di legame dell'elemento di risposta del cAMP; CRTC1, Coactivator-1 di trascrizione regolato da CREB; GPCR, recettore accoppiato a proteine G; MAPK/ERK, protein chinasi attivata da ras-mitogen; NMDAR, recettore di N-metil-d-acido parpartico; PKA, protein chinasi A; PS, presenilins; Rsk2, proteina ribosomale S6 chinasi-2; SIK, chinasi inducibile al sale; VGCC, canali di calcio voltaggio-dipendenti.