Nova otkrića doprinose boljem razumijevanju uzroka Rettovog sindroma

Rettov sindrom je rijedak neurološki razvojni poremećaj za koji trenutno ne postoji lijek niti dobar tretman. Uzrokuje teške fizičke i kognitivne simptome, od kojih se mnogi preklapaju s poremećajima iz autističnog spektra.

Rettov sindrom uzrokovan je mutacijama u genu MECP2, koji je visoko eksprimiran u mozgu i čini se da igra 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 Whitehead Instituta Rudolfa Jaenischa, proučavaju MECP2 desetljećima, no mnoge osnovne činjenice o genu ostale su nepoznate. Protein koji kodira gen, MECP2, uključen je u regulaciju gena; veže se na DNK i utječe na razinu ekspresije raznih drugih gena ili na količinu proteina koju proizvode.

Međutim, istraživači nisu imali potpuni popis gena na koje utječe MECP2, niti je postojao konsenzus o tome kako MECP2 utječe na te gene.

Rane studije MECP2 sugerirale su da je represor, smanjujući ekspresiju svojih ciljnih gena, ali istraživanje Jaenischa i drugih prethodno je pokazalo da MECP2 djeluje i kao aktivator, povećavajući ekspresiju svojih ciljeva - i da bi uopće mogao biti aktivator. Također je nepoznat mehanizam djelovanja MECP2, odnosno što točno protein radi kako bi uzrokovao promjene u ekspresiji gena.

Ograničenja tehnologije spriječila su istraživače da dobiju jasnoću o ovim pitanjima. No, Yanish, postdoktorand njegovog laboratorija Yi Liu i Yanishev bivši član laboratorija Anthony Flamier, sada docent u istraživačkom centru CHU Sainte-Justine na Sveučilištu u Montréalu, koristili su najsuvremenije tehnike kako bi odgovorili na ova preostala pitanja o MECP2 i dobili nove uvide u njegovu ulogu u zdravlju i bolestima mozga.

Njihovi rezultati objavljeni su u časopisu Neuron, a istraživači su također stvorili online repozitorij svojih MECP2 podataka, portal MECP2-NeuroAtlas, kao resurs za druge istraživače.

„Mislim da će ovaj rad temeljno promijeniti razumijevanje ljudi o tome kako MECP2 uzrokuje Rettov sindrom. Imamo potpuno novo razumijevanje mehanizma i to bi moglo pružiti nove putove za razvoj liječenja bolesti“, kaže Janisch, koji je ujedno i profesor biologije na MIT-u.

Dublje razumijevanje MECP2 u mozgu

Istraživači su prvo stvorili detaljnu kartu gdje se MECP2 veže u sekvencama ljudskih neuronskih gena, bilo unutar gena ili u regulatornim regijama DNA u njihovoj blizini. Koristili su pristup nazvan CUT&Tag, koji može s velikom preciznošću odrediti interakcije proteina s DNA.

Istraživači su pronašli više od 4000 gena povezanih s MECP2. Ponovili su mapiranje u neuronima s uobičajenim mutacijama MECP2 povezanim s Rettovim sindromom kako bi utvrdili gdje je MECP2 smanjen u bolesnom stanju.

Poznavanje gena na koje se MECP2 veže omogućilo je Liuu i Flamieru da počnu povezivati meta gene MECP2 i zdravlje mozga. Otkrili su da su mnogi od njegovih meta uključeni 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 MECP2 cilj.

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

Ovi nalazi mogu pomoći u razjašnjavanju mehanizama koji leže u osnovi simptoma autizma kod Rettovog sindroma i pružiti dobru početnu točku za istraživanje moguće uloge MECP2 u autizmu.

„Izradili smo prvu integriranu kartu epigenoma MECP2 u zdravlju i bolesti, a ta karta može voditi buduća istraživanja“, kaže Liu. „Poznavanje koji su geni mete MECP2, a koji su geni izravno poremećeni u bolesti, pruža čvrstu osnovu za razumijevanje Rettovog sindroma i postavljanje pitanja o regulaciji gena u neuronima.“

Istraživači su također ispitivali povećava li ili smanjuje li MECP2 ekspresiju svojih ciljnih gena. U skladu s poviješću identificiranja MECP2-a od strane nekih kao aktivatora, a od strane drugih kao represora, Liu i Flamier pronašli su primjere u kojima je MECP2 igrao obje uloge.

Međutim, iako se MECP2 češće smatra represorom, Liu i Flamier otkrili su da je on uglavnom aktivator - potvrđujući prethodne nalaze Jaenischa i Liua. Jedan novi eksperiment pokazao je da MECP2 aktivira najmanje 80% svojih ciljeva, a drugi je otkrio da aktivira do 88% svojih ciljeva.

Karta ciljnih gena koju su stvorili istraživači pružila je dodatni uvid u ulogu MECP2 kao aktivatora. Otkrili su da se geni koje MECP2 aktivira obično vežu za područje DNA uzvodno od gena koje se naziva mjesto početka transkripcije.

Ovo je mjesto gdje stanični mehanizam pokreće proces transkripcije gena u RNA, nakon čega se RNA prevodi u funkcionalni protein, koji je produkt ekspresije gena. Prisutnost MECP2 na mjestu početka transkripcije, gdje počinje ekspresija gena, u skladu je s njegovom ulogom aktivatora gena.

Istraživači su zatim krenuli utvrditi kakvu ulogu MECP2 igra u aktivaciji gena. Promatrali su na koje se molekule MECP2 veže na ovom mjestu, osim na DNK, i otkrili da MECP2 izravno interagira s proteinskim kompleksom zvanim RNA polimeraza II (RNA Pol II). RNA Pol II je ključni stanični stroj koji prepisuje DNK u RNA. RNA Pol II ne može sama pronaći gene, pa joj je potreban niz kofaktora ili proteinskih suradnika kako bi joj pomogli u obavljanju posla.

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

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

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

„Ovaj projekt je odličan primjer suradničke prirode Janischovog laboratorija“, kaže Flamier. „Rudolf i ja smo imali specifičan problem vezan uz Rettov sindrom, a ja sam imao iskustva s CUT&Tag tehnologijom, koja je mogla riješiti problem. Kroz raspravu smo shvatili da možemo udružiti naše napore i sada imamo izvrstan repozitorij informacija o MECP2 i njegovim vezama s bolešću.“