Novi dokazi unapređuju razumijevanje uzroka Rettovog sindroma

Rettov sindrom je rijedak neurorazvojni poremećaj za koji trenutno ne postoji lijek niti dobra terapija. Uzrokuje ozbiljne fizičke i kognitivne simptome, od kojih se mnogi preklapaju s poremećajima iz spektra autizma.

Rettov sindrom uzrokovan je mutacijama u genu MECP2, koji je jako izražen u mozgu i čini se da ima važnu ulogu u održavanju zdravlja neurona. Gen se nalazi na X kromosomu, a sindrom prvenstveno pogađa djevojčice. Kako bi razvili tretmane za Rettov sindrom, istraživači žele bolje razumjeti MECP2 i njegove funkcije u mozgu.

Istraživači, uključujući suosnivača Instituta Whitehead Rudolfa Jaenischa, proučavali su MECP2 desetljećima, no mnoge osnovne činjenice o genu ostale su nepoznate. Protein MECP2, koji je kodiran genom, uključen je u regulaciju gena; veže se na DNK i utječe na razine ekspresije raznih drugih gena, što znači na količinu proteina koju proizvode.

Međutim, istraživači nisu imali potpuni popis gena na koje MECP2 utječe, a nije bilo ni konsenzusa o tome kako MECP2 utječe na te gene.

Rane studije MECP2 sugerirale su da je on bio represor, smanjujući ekspresiju svojih ciljnih gena, ali istraživanja Jaenisch-a i drugih su prethodno pokazala da MECP2 također djeluje kao aktivator, povećavajući ekspresiju svojih meta — i da može biti aktivator na prvom mjestu. Također nije bio poznat mehanizam djelovanja MECP2, odnosno što točno protein radi što dovodi do promjena u ekspresiji gena.

Ograničenja u tehnologiji spriječila su istraživače da razjasne ova pitanja. Ali Yanish, postdoktorand u svom laboratoriju, Yi Liu, i bivši član Yanisheva laboratorija, Anthony Flamier, sada docent u istraživačkom centru CHU Sainte-Justine na Sveučilištu u Montréalu, upotrijebili su vrhunske metode da odgovore na ova pitanja. Preostala pitanja o MECP2 i steći nove uvide u njegovu ulogu u zdravlju i bolesti mozga.

Njihovi rezultati objavljeni su u časopisu Neuron, a istraživači su također stvorili mrežno spremište svojih MECP2 podataka, MECP2-NeuroAtlas portal, kao izvor za druge istraživače.

"Mislim da će ovaj rad iz temelja promijeniti način na koji ljudi razmišljaju o tome kako MECP2 uzrokuje Rettov sindrom. Imamo potpuno novo razumijevanje mehanizma, a to bi moglo pružiti nove načine za razvoj liječenja ove bolesti", kaže Jaenisch, koji također je profesor biologije na Massachusetts Institute of Technology.

Napredno razumijevanje MECP2 u mozgu

Istraživači su prvo izradili detaljnu kartu gdje se MECP2 veže u sekvenci gena ljudskih neurona, bilo unutar gena ili u regulatornim regijama DNK blizu njih. Koristili su pristup nazvan CUT&Tag, koji može detektirati interakcije proteina i DNK s velikom točnošću.

Istraživači su otkrili više od četiri tisuće gena povezanih s MECP2. Ponovili su svoje mapiranje u neuronima s uobičajenim MECP2 mutacijama povezanim s Rettovim sindromom kako bi odredili gdje je MECP2 iscrpljen u bolesnom stanju.

Znanje na koje se gene MECP2 veže omogućilo je Liu i Flamieru da počnu povezivati mete MECP2 i zdravlje mozga. Otkrili su da su mnoge njegove mete uključene u razvoj i funkciju neuronskih aksona i sinapsi.

Također su usporedili svoj popis MECP2 ciljeva s bazom podataka Simons Foundation Autism Research Initiative (SFARI) o genima povezanim s autizmom i otkrili da je 381 gen u toj bazi podataka bio MECP2 cilj.

Izvor: Neuron (2024). DOI: 10.1016/j.neuron.2024.04.007

Ova otkrića mogu pomoći u razjašnjavanju mehanizama koji leže u pozadini simptoma autizma kod Rettovog sindroma i pružiti dobru polaznu točku za istraživanje moguće uloge MECP2 u autizmu.

"Stvorili smo prvu integriranu kartu epigenoma MECP2 u zdravlju i bolesti, a ova karta može voditi buduća istraživanja", kaže Liu. "Znajući koji su geni ciljani od strane MECP2 i koji su geni izravno poremećeni u bolesti, pruža snažnu osnovu za razumijevanje Rettovog sindroma i postavljanje pitanja o regulaciji gena u neuronima."

Istraživači su također ispitivali povećava li MECP2 ekspresiju svojih ciljnih gena. U skladu s poviješću MECP2 koju neki identificiraju kao aktivator, a drugi kao represor, Liu i Flamier pronašli su primjere u kojima MECP2 igra obje uloge.

Međutim, iako se MECP2 češće smatra represorom, Liu i Flamier otkrili su da je on prvenstveno aktivator—potvrđujući prethodna otkrića Jaenischa i Liua. Jedan novi eksperiment pokazao je da MECP2 aktivira najmanje 80% svojih meta, a drugi da aktivira do 88% svojih meta.

Mapa ciljanog gena koju su izradili istraživači pružila je dodatni uvid u ulogu MECP2 kao aktivatora. Otkrili su da se geni koje aktivira MECP2 obično vežu na regiju DNK uzvodno od gena koja se naziva mjesto početka transkripcije.

Ovdje stanični strojevi započinju proces čitanja gena u RNA, nakon čega se RNA prevodi u funkcionalni protein, koji je proizvod ekspresije gena. Prisutnost MECP2 na mjestu početka transkripcije gdje počinje ekspresija gena u skladu je s njegovom ulogom aktivatora gena.

Istraživači su zatim odredili kakvu ulogu MECP2 igra u aktiviranju gena. Proučavali su na koje se molekule MECP2 veže na ovom mjestu, osim na DNK, i otkrili da MECP2 izravno stupa u interakciju s proteinskim kompleksom zvanim RNA polimeraza II (RNA Pol II). RNA Pol II je ključni stanični stroj koji prepisuje DNK u RNK. RNA Pol II ne može sama pronaći gene, pa su joj potrebni mnogi kofaktori ili proteini koji surađuju kako bi obavili svoj posao.

Istraživači pretpostavljaju da MECP2 služi kao jedan takav kofaktor, pomažući RNA Pol II da pokrene transkripciju na genima na koje se veže MECP2. Strukturna analiza MECP2 identificirala je dijelove molekule koji se vežu na RNA Pol II, a drugi su eksperimenti potvrdili da gubitak MECP2 smanjuje prisutnost RNA Pol II na relevantnim mjestima početka transkripcije, kao i razine ekspresije ciljnih gena.

Ovo sugerira da bi Rettov sindrom mogao biti uzrokovan smanjenom transkripcijom gena na koje cilja MECP2 zbog mutacija u MECP2 koje ga sprječavaju da se veže za RNA Pol II ili za DNA. U skladu s ovom idejom, najčešće MECP2 mutacije povezane s bolešću su skraćenja: mutacije u kojima nedostaje dio proteina, što može promijeniti interakciju između MECP2 i RNA Pol II.

Istraživači se nadaju da njihova otkrića neće promijeniti samo naše razumijevanje MECP2, već da dublje i šire razumijevanje načina na koji MECP2 utječe na razvoj i funkciju mozga može dovesti do novih uvida koji će pomoći osobama s Rettovim sindromom i srodnim poremećajima, uključujući autizam.

"Ovaj projekt izvrstan je primjer suradničke prirode rada laboratorija Jaenisch", kaže Flamier. "Rudolph i Yi imali su specifičan problem s Rettovim sindromom, a ja sam imao iskustva s tehnologijom CUT&Tag koja bi mogla riješiti ovaj problem. Kroz raspravu smo shvatili da možemo udružiti naše napore i sada imamo veliko skladište informacija o MECP2 i njegove veze s bolešću."