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Genes e epilepsia II: expressão gênica diferencial

Genes and epilepsy II: differential gene expression in epilepsy

Resumos

Nesta revisão, introduzimos abordagens investigativas, assim como discutimos os principais achados de expressão gênica diferencial em tecido epiléptico humano e em modelos experimentais. As alterações observadas no cérebro de indivíduos epilépticos sugerem que eventos moleculares específicos refletem diferentes expressões do quadro fisiopatológico. É possível que diferentes combinações da expressão de genes associados à morte celular, metabolismo de radicais livres, transmissão sináptica, resposta imune e de neurotrofinas reflitam propriedades características de diferentes populações neuronais e gliais, que determinam as distintas respostas de cada área cerebral. A compreensão dessas particularidades moleculares será muito importante para o desenvolvimento de uma estratégia de intervenção visando reduzir neurotoxicidade e disfunções sinápticas que ocorrem durante a epileptogênese e a fase crônica em pacientes epilépticos.

Epilepsia; Esclerose hipocampal; Hipocampo; Expressão gênica; Microarranjos; Neuroproteção


We introduce some investigative appnacher and findings on differential gene expression in human epileptic time as well as in animal models of epilepsy. Molecular alterations observed in the epileptic brain suggest that they may disclose different psychopathological stages. It is possible that different gene expression combinations involved in cell death, reactive oxygen metabolism, synaptic transmission and immune response and of neurotrophins reflect distinct functional properties of different neuronal and glial populations, which determine specific brain region responses. Understanding the molecular patterns of gene expression following epileptogenic insults will be of great importance for the development of treatments aiming to reduce neurotoxicity and subtle synaptic dyfunctions present in the early stages as well as during the chronic phase of epilepsy.

Epilepsy; Gene expression; Hippocampus; Cortex; Differential display; Microarray; RT-PCR; In Situ hybridization


ARTIGO DE REVISÃO

Genes e epilepsia II: expressão gênica diferencial

Genes and epilepsy II: differential gene expression in epilepsy

Rodrigo N. Romcy-Pereira* * Correspondência: Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto, Universidade de São Paulo, Avenida Bandeirantes, 3900 Monte Alegre, Ribeirão Preto - SP, CEP 14049-900, Tel/Fax: 1-55-(16) 3602-2556, rnrpereira@rnp.fmrp.usp.br ; Daniel L. G. Gitaí; Lívia L. G. Gitaí; João P. Leite; Norberto Garcia-Cairasco; Maria Luisa Paçó-Larson

RESUMO

Nesta revisão, introduzimos abordagens investigativas, assim como discutimos os principais achados de expressão gênica diferencial em tecido epiléptico humano e em modelos experimentais. As alterações observadas no cérebro de indivíduos epilépticos sugerem que eventos moleculares específicos refletem diferentes expressões do quadro fisiopatológico. É possível que diferentes combinações da expressão de genes associados à morte celular, metabolismo de radicais livres, transmissão sináptica, resposta imune e de neurotrofinas reflitam propriedades características de diferentes populações neuronais e gliais, que determinam as distintas respostas de cada área cerebral. A compreensão dessas particularidades moleculares será muito importante para o desenvolvimento de uma estratégia de intervenção visando reduzir neurotoxicidade e disfunções sinápticas que ocorrem durante a epileptogênese e a fase crônica em pacientes epilépticos.

Unitermos: Epilepsia. Esclerose hipocampal. Hipocampo. Expressão gênica. Microarranjos. Neuroproteção.

SUMMARY

We introduce some investigative appnacher and findings on differential gene expression in human epileptic time as well as in animal models of epilepsy. Molecular alterations observed in the epileptic brain suggest that they may disclose different psychopathological stages. It is possible that different gene expression combinations involved in cell death, reactive oxygen metabolism, synaptic transmission and immune response and of neurotrophins reflect distinct functional properties of different neuronal and glial populations, which determine specific brain region responses. Understanding the molecular patterns of gene expression following epileptogenic insults will be of great importance for the development of treatments aiming to reduce neurotoxicity and subtle synaptic dyfunctions present in the early stages as well as during the chronic phase of epilepsy.

Key words: Epilepsy. Gene expression. Hippocampus. Cortex. Differential display. Microarray. RT-PCR. In Situ hybridization.

INTRODUÇÃO

Muitos dos aproximadamente 30.000 genes humanos podem estar associados à epilepsia1. De um lado estão as alterações que ocorrem na estrutura física dos genes, tais como as mutações ou polimorfismos, que contribuem para a epileptogênese, agindo direta ou indiretamente no estabelecimento do limiar de susceptibilidade. A maior parte delas é transmitida hereditariamente. De um lado podemos encontrar alterações no controle da expressão gênica que interferem estritamente na atividade dos transcritos e proteínas codificadas, sem o envolvimento de mudanças físicas no DNA. Esse tipo de alteração pode promover alterações nos níveis ou na localização de mRNAs e proteínas, deflagradas por insultos epileptogênicos.

As epilepsias sintomáticas são epilepsias geneticamente complexas e geralmente estão associadas a lesões adquiridas ou congênitas. Tais lesões provocam uma série de alterações em circuitos cerebrais envolvidos no surgimento de crises epilépticas recorrentes. Como conseqüência dessas alterações, o aumento ou diminuição de certas moléculas no tecido afetado pode contribuir para um ambiente bioquímico patofisiologicamente característico do processo epiléptico. Essas alterações envolvem modificações do controle transcricional e traducional de diversos genes, afetando os níveis de RNAs transcritos (pricipalmente mRNAs) e os subtipos de proteínas sintetizadas, assim como a atividade das proteínas sintetizadas. A identificação dessas moléculas cuja expressão é modulada durante o processo epiléptico, é de fundamental importância para o entendimento das vias moleculares associadas tanto aos mecanismos de epileptogênese quanto a alterações secundárias às crises recorrentes.

Em adultos, a epilepsia do lobo temporal (ELT) é o tipo mais comum de epilepsia focal, em que aproximadamente dois terços dos pacientes apresentam esclerose hipocampal (epilepsia mesial temporal, EMT). Nas ELTs, o hipocampo é uma região crítica na manutenção das crises epilépticas e sua fisiopatologia está associada a um padrão bem definido de perda neuronal nos subcampos CA1 e CA3, infiltração de células da glia (astrogliose) e plasticidade axonal com brotamento de fibras musgosas na camada molecular interna do giro denteado2. Devido a sua citoarquitetura e conectividade, o hipocampo apresenta baixo limiar para indução de crises convulsivas, sendo altamente reativo a uma variedade de tratamentos3. Descargas epileptiformes repetidas durante crises sustentadas (status epilepticus, SE) induzem danos neuronais e reorganização axonal que podem variar de acordo com a intensidade e duração do SE. Outras estruturas do lobo temporal, incluindo a amígdala e o córtex para-hipocampal, também participam do quadro epiléptico e podem sofrer alterações de seu funcionamento em pacientes epilépticos.

Alterações de expressão gênica em epilepsia

Alteração na expressão gênica é uma das principais respostas do tecido cerebral a insultos epileptogênicos4. As abordagens de investigação baseiam-se na análise individual da expressão de determinados genes ou na análise de expressão de múltiplos genes simultaneamente. Nas análises individuais, os genes são selecionados por estarem envolvidos em processos de excitabilidade neuronal, sinaptogênese, morte e proliferação celular, regulação transcricional da expressão gênica, transdução de sinal, dentre outros. Nas análises em larga escala, utilizando técnicas analíticas mais modernas como os microarranjos (microarrays), a estratégia reduz o viés dos genes avaliados possibilitando a descoberta de novos transcritos.

Nas investigações de genes individuais, cuja expressão é modulada em resposta a epilepsia, níveis de mRNA são comparados entre os tecidos epilépticos e normais através de metodologias como RT-PCR, Northern blot e hibridação in situ. Estudos de expressão diferencial de genes envolvidos na neurotransmissão glutamatérgica e GABAérgica, principais mediadores excitatórios e inibitórios do sistema nervoso central, mostram alterações significativas na expressão gênica hipocampal. Tais genes codificam proteínas que compõem receptores ionotrópicos de glutamato do tipo AMPA (rAMPA), NMDA (rNMDA), cainato (rKA) assim como receptores metabotrópicos de glutamato (rMGlu)5-8; receptores de GABA (rGABA A e B)9-11; enzimas que participam da síntese de GABA (GAD65 e GAD67)12; transportadores de glutamato (EAAT1, EAAT2 e EAAT3)13-16. Outros genes também investigados foram os neuropeptídeos pró-convulsivantes como o CRH17,18 e neuropeptídeos anticonvulsivantes como GAL, TRH, NPY, SS. Esses estudos têm verificado que genes com atividade facilitadora de vias excitatórias apresentam níveis aumentados no hipocampo epiléptico, o que é compatível com uma situação pró-convulsivante. Entretanto, nem sempre os genes que participam do processo inibitório apresentam uma expressão diminuída nesses tecidos. Ao contrário, vários estudos têm relatado um aumento da expressão de genes com atividade inibitória após crises epilépticas. Este achado, aparentemente paradoxal, pode estar relacionado a mecanismos compensatórios do fenômeno de hiperexcitabilidade neuronal19. Os resultados da expressão diferencial de genes não diretamente relacionados ao processo de hiperexcitabilidade neuronal são de interpretação ainda mais complexa. Uma categoria muito investigada é das neurotrofinas, que são proteínas que promovem a sobrevivência de neurônios juvenis e estão envolvidas nos processos de sinaptogênese e potenciação de sinapses centrais. Inúmeros trabalhos mostram que a expressão hipocampal de várias neurotrofinas sofre modulação durante o processo epileptogênico. Dentre elas destacam-se a NGF, BDNF, NT-4, NT-3 e seus respectivos receptores TrkA, TrkB e TrkC20-23, além do GDNF24 e dos fatores de direcionamento axonal (neuropilinas e ephrinas)25, 26.

Com relação ao processo de esclerose hipocampal, muitos estudos têm focalizado na expressão diferencial de genes envolvidos com os mecanismos de morte celular. Tem-se demonstrado que genes que participam diretamente do processo apoptótico apresentam a expressão alterada no hipocampo epiléptico. Tais genes agem na via apotótica extrínseca (caspase 2 e 8, FADD)27, 28 ou intrínseca29. Nesta última, destacam-se as caspases efetoras (caspase 3 e 6), família das proteínas bcl-2 pró-apoptóticas (bax, bcl-x, bim, bid) e anti-apoptóticas (bcl-2, bcl-xI, bcl-w). Estes estudos tem verificado não apenas que a deflagração de programas de apoptose é um dos principais responsáveis pela morte neuronal associada à epilepsia, mas também que existe uma correlação entre a expressão diferencial de genes envolvidos na via apoptótica e o perfil histológico de morte neuronal. No hipocampo epiléptico, os genes pró-apoptóticos geralmente são mais expressos nas regiões CA1 e CA3, enquanto os genes anti-apoptóticos são mais expressos nas células granulares do giro denteado30.

Evidências de respostas inflamatórias em certas epilepsias motivaram estudos da expressão diferencial de genes envolvidos com o sistema imune31. Entre esses, destacam-se as citocinas (IL-1β, TNF-α and IL-6 e seus respectivos receptores neuronais rIL-1, rTNF e Gp130), mediadores antiinflamatórios (antagonista Ra do receptor IL-1), quimiocinas (MIP-1α e MCP-1), mediadores inflamatórios (COX-2), moléculas de adesão (ICAM-1, VCAM-1, PECAM-1) e metaloproteinases (mmp9). Crises epilépticas induzidas química ou eletricamente aumentam os níveis de citocinas e mediadores antiinflamatórios no cérebro de roedores32-34. Devido àinteração funcional que existe entre citocinas e neurotrasmissores, o aumento desses mediadores inflamatórios pode influenciar a excitabilidade neuronal e a resposta do cérebro a injúrias35. De fato, estudos experimentais em roedores mostram que reações inflamatórias podem levar a uma maior excitabilidade e injúrias neuronais. Além disso, alguns tratamentos com antiinflamatórios reduzem crises epilépticas em modelos experimentais31. Associado ao processo de astrogliose que acompanha insultos epileptogênicos, tem sido observado um aumento da proteína GFAP (glial fibrillary acidic protein), marcadora de astrócitos maduros, no hilo do giro denteado, uma semana e um mês após o abrasamento elétrico da via perfurante. Seus níveis retornam às condições normais somente após dois meses3.

Outra categoria de genes extensivamente estudada quanto ao perfil de expressão hipocampal em resposta à epilepsia é a classe dos fatores de transcrição. O proto-oncogene c-fos foi o primeiro a ser descrito com modulação da expressão associada a crises epilépticas36. Em diversos modelos experimentais tem sido demonstrado que tanto os níveis de mRNA para c-fos (pico entre 15-30 minutos) quanto da proteína Fos (pico entre 1-2 horas) estão aumentados durante a primeira hora após a indução das crises. Este mesmo fenômeno também foi observado para a proteína Jun, codificada pelo proto-oncogene c-jun, que juntamente à proteína Fos formam o complexo ligante de DNA AP-1, sabidamente caracterizado como regulador transcricional37, 38. Outro fator de transcrição, cuja expressão hipocampal é alterada nas epilepsias, é a proteína CREB que se liga a sítios CRE localizados na região promotora de muitos genes39. Esses achados indicam que a condição epiléptica, em sua fase inicial, deflagra uma cascata de alterações moleculares envolvidas na regulação da expressão de uma variedade de genes-alvo (target genes)40. A ativação desses fatores de transcrição ocorre através da estimulação de vias de transdução de sinal desencadeadas pela interação de neurotransmissores e seus receptores de membrana. De fato, vários genes que intermedeiam esse processo, como a adenilato ciclase tipo II, membros da família das mitogen-activated protein kinases-MAPK, neurogranina, calcium/calmodulin binding protein-CaMBP, também apresentam alterações no padrão de expressão hipocampal provocadas pelas crises epilépticas3, 41.

Nas investigações de expressão gênica em larga escala, o uso de metodologias como microarranjos, análise serial de expressão gênica (do inglês, serial analyses of gene expression-SAGE), hibridações subtrativas e differential display, possibilita a avaliação da expressão de milhares de genes simultaneamente. Nestes casos, busca-se identificar genes associados à epilepsia independente do conhecimento prévio de suas identidades e funções. Essas ferramentas têm levado à descoberta de inúmeros genes que estão envolvidos em diferentes estágios do quadro epiléptico. A metodologia SAGE baseia-se na obtenção de uma coleção de ESTs (Expressed Sequence Tag; pequenos fragmentos da região 3' dos mRNA) teoricamente referente a todos os transcritos de um tecido. A comparação entre o conjunto de ESTs proveniente de duas amostras diferentes (p.ex., hipocampo epiléptico vs. hipocampo normal) pode identificar os genes com expressão diferencial entre os tecidos. Através da SAGE foram avaliadas alterações de expressão gênica no hipocampo de ratos submetidos a SE elétrico da via perfurante. A maior parte dos genes alterados está envolvida em vias metabólicas não-associadas previamente a crises convulsivas. Em particular, o gene da cistatina C, um inibidor de proteases, apresentou-se aproximadamente cinco vezes mais expresso em hipocampos de ratos submetidos às crises42, 43. Nas análises de hibridação subtrativa, cDNAs provenientes de uma amostra A (hipocampo epiléptico) são subtraídos de cDNAs provenientes de uma amostra B (hipocampo normal). Isto resulta na formação de uma biblioteca de cDNAs referentes a genes mais expressos em uma das amostras. Em um estudo da expressão gênica diferencial quatro horas após indução de eletroconvulsões foi identificado um grande número de novas moléculas envolvidas com crises epilépticas, incluindo os genes Rheb e Arc que codificam uma GTPase tipo Ras e um gene de resposta inicial associado ao citoesqueleto, respectivamente44-46.

A tecnologia de microarranjos tem como princípio básico o processo de hibridação de cDNAs ou RNAs marcados provenientes do tecido de interesse com cDNAs completos ou oligonucleotídeos (sonda ou probes) pré-sintetizados e presentes em alta densidade numa superfície sólida (p. ex. lâmina de vidro). A intensidade do sinal de hibridação para um determinado gene presente nos microarranjos reflete a quantidade do seu respectivo mRNA no tecido de interesse. O uso de microarranjos comerciais, como alternativa às outras metodologias, apresenta várias vantagens: 1) testar milhares de genes em uma ou múltiplas amostras simultaneamente e com muito menos trabalho; 2) alta reprodutibilidade e 3) significativa sensibilidade de detecção – até uma cópia de mRNA/célula/milhão de células47-49. A hibridação em microarranjos tem sido muito usada para avaliar o processo epileptogênico tanto em modelos experimentais como em tecido epiléptico humano50. Em modelos experimentais, a maior parte dos trabalhos concentra-se no processo de epileptogênese (período compreendido entre a indução do insulto e a emergência das crises espontâneas). Nesses estudos, dois intervalos de tempo têm sido focalizados: a) as primeiras 24 horas após a indução do insulto: para avaliar as alterações moleculares iniciais que atuariam como gatilho do processo epiléptico; b) o período entre 1-2 semanas após o insulto inicial: para avaliar as alterações imediatamente anteriores ao aparecimento das crises espontâneas. Nos estudos em humanos, a análise do hipocampo epiléptico após ressecção cirúrgica é realizada após um período variável de crises refratárias ao tratamento medicamentoso.

Cinco estudos independentes analisaram mudanças na expressão gênica hipocampal durante as primeiras 24 horas após o insulto epileptogênico (Tabela 1): 1) Lukasiuk et al. (2003) detectaram alteração na expressão de 37 genes no hipocampo e de 29 genes no lobo temporal em ratos sacrificados 24 horas após indução de SE por estimulação elétrica da amígdala51; 2) Matzilevich et al. (2002) analisaram hipocampos de ratos 3 ou 24 horas após a indução de traumatismo cortical. Dos 8.800 genes analisados, foi observada expressão diferencial em 308 genes no período de três horas e 261 genes no período de 24 horas após o insulto52; 3) Long et al. (2003) observaram alteração em 253 genes no hipocampo de camundongos sacrificados 4 ou 24 horas após indução de traumatismo cortical. Seus resultados mostraram que genes relacionados à homeostase celular e sinalização de cálcio foram preferencialmente superexpressos enquanto genes envolvidos com metabolismo mitocondrial, celular e proteínas estruturais foram subexpressos53; 4) French et al. (2001) avaliaram hipocampos de camundongos uma hora após crises induzidas por eletrochoque. Apenas 14 dos 9.000 genes apresentaram expressão alterada, sendo que apenas o gene NGFI-B foi confimado estar superexpresso no giro denteado e em CA154 e (5) Avedissian et al. (2007) observaram superexpressão de homer-1a oito horas após SE induzido por administração do agonista muscarínico pilocapina, em ratos. Nesses estudos, muitos dos genes detectados pertencem à classe dos fatores de transcrição e dos efetores de expressão imediata, tendo significativa alteração de expressão nas primeiras quatro horas após o insulto. Outros genes identificados são genes de fatores de crescimento, de resposta ao estresse, de componentes sinápticos, de receptores e de citocinas.

Dois estudos analisaram alterações da expressão gênica entre a primeira e segunda semana após o insulto inicial: 1) Lukasiuk et al. (2003) detectaram expressão diferencial em 14 genes no hipocampo de ratos sacrificados 14 dias após a indução de SE através de estimulação elétrica da amígdala51; 2) Elliott et al. (2003) caracterizaram o padrão de expressão gênica no hipocampo de ratos submetidos ao protocolo de indução de SE através de injeção intraperitoneal de pilocarpina. Quatorze dias após o SE, de 8.000 genes analisados, 129 apresentaram expressão diferencial no giro denteado quando comparados a ratos controle55. Em ambos os estudos, muitos dos genes identificados estão envolvidos em processos metabólicos, incluindo metabolismo energético, síntese e degradação protéica, além de transdução de sinal. Um grande número de ESTs ainda não caracterizados também apresentou expressão alterada.

Dois estudos com microarranjos avaliaram alterações de expressão gênica após o estabelecimento das crises recorrentes espontâneas: um em tecido humano epiléptico e um em modelo animal. Lukasiuk et al. (2003) observaram expressão diferencial em 42 dos 5.000 genes analisados (30 subexpressos e 12 superexpressos) em hipocampo de ratos com crises espontâneas após a indução de SE por estimulação elétrica da amígdala. Becker et al. (2002) compararam hipocampos provenientes de pacientes com epilepsia do lobo temporal associada a esclerose mesial com hipocampos destituídos de anormalidades histopatológicas, provenientes de pacientes com ELT com lesão focal neocortical e/ou pacientes não-epilépticos. Neste estudo, dos 588 genes analisados, 21 apresentaram expressão diferencial, nove com expressão aumentada e 12 com expressão reprimida30.

Recentemente, Lukasiuk et al. (2004) mostraram que as primeiras horas após o insulto epileptogênico são marcadas pela expressão alterada de genes envolvidos na regulação transcricional. Os autores também observaram que em todos os tempos analisados houve alterações na expressão de genes envolvidos no metabolismo básico, transdução de sinal e proteínas estruturais. Embora da mesma classe funcional, os genes identificados nos diferentes estudos apresentaram pouca sobreposição. Parte disto possivelmente se deve aos diferentes modelos e desenhos experimentais utilizados.

Em nossos laboratórios estamos utilizando análise de expressão gênica diferencial em pequena e larga escala no estudo de modelos experimentais de crises tônico-clônicas generalizadas e límbicas, assim como no processo de neuroproteção após pré-condicionamento por crises convulsivas curtas ou por hipóxia56,57. Dados recentes indicam que no modelo de recrutamento límbico, durante crises audiogênicas crônicas (kindling) em ratos geneticamente selecionados (Wistar Audiogenic Rats, WARs), há um aumento nos níveis da isoforma flip do receptor de glutamato GluR2 e redução do inibidor de tradução BC1 ao abrasamento audiogênico58. Além disso, também observamos um aumento significativo da expressão dos receptores B1 e B2 de bradicinina no hipocampo59. Portanto, a caracterização das alterações moleculares endógenas, e secundárias às crises, em diversos modelos experimentais é fundamental importância tendo em vista que diferentes tipos de epilepsias humanas, inclusive as do lobo temporal, resultam da interação entre o background genético e insultos epileptogênicos.

AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de agradecer a todos os membros dos laboratórios envolvidos, assim como às agências financiadoras FAPESP, CNPq, CAPES, FAEPA e PROEX pelos auxílios destinados a pesquisa e ensino.

Conflito de interesse: não há

Artigo recebido: 06/08/07

Aceito para publicação: 10/04/08

Trabalho realizado na Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto, Universidade de São Paulo, Ribeirao Preto, SP

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  • Datas de Publicação

    • Publicação nesta coleção
      04 Nov 2008
    • Data do Fascículo
      Out 2008

    Histórico

    • Aceito
      10 Abr 2008
    • Recebido
      06 Ago 2007
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