Involvement of histone acetylation in neuroprotection against brain ischemic injury

Abstract

Histone acetylation is a master epigenetic switch for active gene expression processes, and is therefore considered as a diagnostic feature of ongoing gene expression activities. Aberrant histone acetylation patterns and/or impaired function of histone acetylation machinery were recently linked to manifestation of numerous neurodegenerative conditions such as Hungtington’s disease, Alzheimer’s disease and amyotrophic lateral sclerosis. This PhD thesis work shows loss of histone acetylation patterns in neurons following ischemic injury, and further, it demonstrates protection against cerebral ischemic injury by enhancement of histone acetylation by two different neuroprotective strategies: Ischemic preconditioning and Trichostatin A pre- treatment. Histone acetylation and histone acetyltransferase (HAT) enzyme CREB-binding protein (CBP) levels were rapidly decreased in neurons after ischemic injury. Suppression of histone acetylation, by genetic as well as by pharmacological means, exacerbated the neuronal damage by ischemic injury, suggesting that histone acetylation balance is a determinant factor for neuronal susceptibility to ischemic insult. In contrast to injurious ischemia, ischemic preconditioning enhanced histone acetylation levels in rat primary cortical cultures as well as in mice brain, and proved significant neuroprotection against cerebral ischemia. Enhanced histone acetylation levels were accompanied by increased HAT enzyme activity in neuronal cells after ischemic preconditioning. Histone deacetylase (HDAC) inhibitor Trichostatin A (TSA) increased histone acetylation levels and conferred neuroprotection against cell culture as well as animal models of cerebral ischemia. TSA up- regulated anti-apoptotic and anti-excitotoxic protein gelsolin expression in neuronal cultures and in mice brain, and the down-stream protective pathways involved dynamic actin remodelling, reduction in intracellular calcium overload and stabilisation of mitochondrial membrane potential. TSA did not protect gelsolin knockout mice against brain ischemic injury, underscoring gelsolin’s integral role for TSA-induced neuroprotection against cerebral ischemic damage. Altogether, these results not only show a causal involvement of histone hypoacetylation in the pathophysiological cascades after ischemic injury, but they also demonstrate that histone acetylation enhancement by ischemic preconditioning and by TSA pre-treatment confers robust protection against cerebral ischemic injury. Histone acetylation enhancement indicates increased transcriptional activity as in the case of neuroprotective gene expression during the acquisition of ischemia tolerance. On the other hand, loss of histone acetylation probably reflects the loss of neuronal genomic fertility during pathological progression. Thus, enhancement of histone acetylation appears as an attractive avenue for development of novel treatment strategies for the reduction of brain injury following cerebral ischemia. Given that currently there is no effective treatment for stroke, results of this PhD thesis suggests that HDAC inhibitors like TSA should be evaluated for their potential use for clinical trials in stroke patients. Alternatively, CBP activators and/or agents that increase CBP stabilization might be promising neuroprotective drugs.

Die Histon-Acetylierung ist ein epigenetischer Prozess, der die Expression von Genen aktiviert und wird deshalb als ein diagnostisches Merkmal für die laufende Aktivität von Genexpression angesehen. Abweichende Muster von Histon- Acetylierung und/oder verminderte Funktion des Mechanismus der Acetylierung von Histonen wurden jüngst mit der Manifestation zahlreicher neurodegenerativerer Erkrankungen, wie der Huntington-Krankheit, Morbus Alzheimer, und amyotropher Lateralsklerose in Verbindung gebracht. Diese Doktorarbeit zeigt den Verlust von Histon-Acetylierungsmustern in Neuronen nach ischämischem Schlaganfall sowie die Protektion des Gehirns vor Schlaganfall durch Verstärkung der Histon-Acetylierung. Dabei wurden zwei verschiedene neuroprotektive Strategien angewandt: Ischämische Präkonditionierung und die Vorbehandlung mit Trichostatin A. Nach Ischämie kam es zu einem schnellen Absinken der Histon-Acetylierung und des Histon- Acetyltransferase-Enzyms (HAT) CREB-Bindeprotein (CBP) in Neuronen. Nach genetischer oder pharmakologischer Unterdrückung der Histon-Acetylierung verschärfte sich der neuronale Schaden, was daraufhin deutet, dass die Histon- Acetylierung ein bestimmender Faktor für die Empfindlichkeit der Neuronen für den ischämischen Schlaganfall ist. Im Gegensatz zur schädigenden Ischämie, wird die Histon-Acetylierung bei Ischämischer Präkonditionierung erhöht, was in dieser Doktorarbeit sowohl in primären kortikalen Kulturen aus der Ratte sowie im Mausgehirn gezeigt werden konnte. Dabei konnte eine signifikante Neuroprotektion gegen Schlaganfall nachgewiesen werden. Die erhöhten Levels der Histon-Acetylierung wurden von einer erhöhter Enzymaktivität der HAT in neuronalen Zellen begleitet. Die Gabe von Histon-Deacetylase (HDAC) Inhibitor Trichostatin A (TSA) erhöhte die Levels der Histon-Acetylierung und bestätigte ebenso die Neuroprotektion im Zellkultur- sowie Tiermodell der zerebralen Ischämie. Die Gabe von TSA erhöhte die Expression des anti-apoptotischen sowie anti-exzitotoxischen Proteins gelsolin in neuronalen Zellkulturen und im Mausgehirn. Des Weiteren führte es zur Erhöhung der nachgeschalteten neuroprotektiven Signalwege: zum dynamischen Umbau von Aktin, zur Reduktion von intrazellulärem Calcium und zur Stabilisierung des Membranenpotentials der Mitochondrien. TSA konnte die gelsolin Knockout-Mäuse nicht vor zerebraler Ischämie schützen, wodurch die wesentliche Rolle von gelsolin bei der TSA- induzierten Neuroprotektion gegen Schlaganfall unterstrichen wird. Zusammenfassend zeigen diese Resultate nicht nur die kausale Beteiligung der Histon-Hypoacetylierung in der Pathophysiologie nach ischämischem Schlaganfall, sondern auch, dass die Erhöhung von Histon-Acetylierung durch Ischämische Präkonditionierung sowie Vorbehandlung durch TSA zu einer robusten Neuroprotektion gegen die zerebrale Ischämie führen. Die Verstärkung der Histon-Acetylierung deutet auf eine erhöhte Transkriptionsaktivität wie im Falle der neuroprotektiven Genexpression bei Ischämischer Toleranz. Auf der anderen Seite spiegelt der Verlust von Histon-Acetylierung möglicherweise den Verlust des Transkriptionspotentials in Neuronen während der Pathophysiologie wider. Daraus wird ersichtlich, dass die Erhöhung der Histon-Acetylierung einen vielversprechenden Weg für die Entwicklung neuer Behandlungsstrategien für die Verringerung des zerebralen Schadens nach ischämischem Schlaganfall aufzeigt. Vor dem Hintergrund, dass es momentan keine effektive Therapie für Schlaganfall gibt, lassen die Resultate dieser Doktorarbeit den Schluss zu, dass die HDAC-Inhibitoren, wie TSA, bezüglich ihrer potentiellen Anwendung in Klinischen Studien in Schlaganfall-Patienten evaluiert werden sollten. Alternativ könnten CBP-Aktivatoren und/oder Wirkstoffe, die die Stabilisierung von CBP erhöhen, aussichtsreiche neuroprotektive Medikamente sein.