Nové dôkazy zlepšujú pochopenie príčin Rettovho syndrómu

Rettov syndróm je zriedkavá neurovývojová porucha, na ktorú v súčasnosti neexistuje žiadny liek ani dobrá terapia. Spôsobuje vážne fyzické a kognitívne symptómy, z ktorých mnohé sa prekrývajú s poruchami autistického spektra.

Rettov syndróm je spôsobený mutáciami v géne MECP2, ktorý je vysoko exprimovaný v mozgu a zdá sa, že hrá dôležitú úlohu pri udržiavaní zdravia neurónov. Gén sa nachádza na chromozóme X a syndróm postihuje predovšetkým dievčatá. Na vývoj liečby Rettovho syndrómu chcú výskumníci lepšie porozumieť MECP2 a jeho funkciám v mozgu.

Výskumníci vrátane spoluzakladateľa Whitehead Institute Rudolfa Jaenischa študujú MECP2 desaťročia, no mnohé základné fakty o géne zostali neznámych. Proteín MECP2, ktorý je kódovaný génom, sa podieľa na génovej regulácii; viaže sa na DNA a ovplyvňuje úroveň expresie rôznych iných génov, čo znamená množstvo bielkovín, ktoré vytvárajú.

Vedci však nemali úplný zoznam génov, ktoré MECP2 ovplyvňuje, a neexistovala zhoda o tom, ako MECP2 ovplyvňuje tieto gény.

Skoré štúdie MECP2 naznačovali, že ide o represor, ktorý znižuje expresiu svojich cieľových génov, ale výskum Jaenischa a iných predtým ukázal, že MECP2 tiež pôsobí ako aktivátor, ktorý zvyšuje expresiu svojich cieľov – a že môže byť v prvom rade aktivátorom. Neznámy bol aj mechanizmus účinku MECP2 alebo to, čo presne proteín robí, čo vedie k zmenám v génovej expresii.

Obmedzenia v technológii zabránili výskumníkom v objasnení týchto otázok. Ale Yanish, postdoktor vo svojom laboratóriu, Yi Liu, a bývalý člen Yanishovho laboratória, Anthony Flamier, teraz odborný asistent vo výskumnom centre CHU Sainte-Justine na Université de Montréal, použili špičkové metódy, aby odpovedali na tieto otázky. Zostávajúce otázky o MECP2 a získajte nové poznatky o jeho úlohe v zdraví a chorobách mozgu.

Ich výsledky boli publikované v časopise Neuron a výskumníci tiež vytvorili online úložisko svojich údajov MECP2, MECP2-NeuroAtlas ako zdroj pre iných výskumníkov.

"Myslím si, že tento dokument od základu zmení spôsob, akým ľudia uvažujú o tom, ako MECP2 spôsobuje Rettov syndróm. Máme úplne nové chápanie tohto mechanizmu, čo môže poskytnúť nové možnosti na vývoj liečby tejto choroby," hovorí Jaenisch, ktorý je tiež profesorom biológie na Massachusetts Institute of Technology.

Pokročilé chápanie MECP2 v mozgu

Výskumníci najprv vytvorili podrobnú mapu toho, kde sa MECP2 viaže v génovej sekvencii ľudských neurónov, buď v génoch alebo v regulačných oblastiach DNA v ich blízkosti. Použili prístup nazývaný CUT&Tag, ktorý dokáže detekovať interakcie proteín-DNA s vysokou presnosťou.

Výskumníci objavili viac ako štyri tisícky génov spojených s MECP2. Zopakovali svoje mapovanie v neurónoch s bežnými mutáciami MECP2 spojenými s Rettovým syndrómom, aby určili, kde je v stave choroby vyčerpaný MECP2.

Vedieť, na ktoré gény sa MECP2 viaže, umožnilo Liu a Flamierovi začať vytvárať spojenia medzi cieľmi MECP2 a zdravím mozgu. Zistili, že mnohé z jeho cieľov sa podieľajú na vývoji a funkcii neurónových axónov a synapsií.

Porovnali tiež svoj zoznam cieľov MECP2 s databázou génov súvisiacich s autizmom Simons Foundation Autism Research Initiative (SFARI) a zistili, že 381 génov v tejto databáze boli ciele MECP2.

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

Tieto zistenia môžu pomôcť objasniť mechanizmy, ktoré sú základom symptómov autizmu pri Rettovom syndróme, a poskytnúť dobrý východiskový bod pre skúmanie možnej úlohy MECP2 pri autizme.

"Vytvorili sme prvú integrovanú mapu epigenómu MECP2 v oblasti zdravia a chorôb a táto mapa môže viesť budúci výskum," hovorí Liu. "Vedieť, na ktoré gény sa zameriava MECP2 a ktoré gény sú priamo narušené pri chorobe, poskytuje silný základ pre pochopenie Rettovho syndrómu a kladenie otázok o génovej regulácii v neurónoch."

Výskumníci tiež skúmali, či MECP2 zvyšuje alebo znižuje expresiu svojich cieľových génov. V súlade s históriou MECP2, ktorú niektorí identifikovali ako aktivátor a iní ako represor, Liu a Flamier našli príklady, kde MECP2 zohráva obe úlohy.

Aj keď sa MECP2 častejšie považuje za represor, Liu a Flamier zistili, že ide predovšetkým o aktivátor – čo potvrdilo predchádzajúce zistenia Jaenischa a Liu. Jeden nový experiment ukázal, že MECP2 aktivuje aspoň 80 % svojich cieľov a ďalší, že aktivuje až 88 % svojich cieľov.

Cieľová génová mapa vytvorená výskumníkmi poskytla ďalší pohľad na úlohu MECP2 ako aktivátora. Zistili, že v prípade génov, ktoré MECP2 aktivuje, sa zvyčajne viaže na oblasť DNA pred génom, ktorý sa nazýva miesto začiatku transkripcie.

Toto je miesto, kde bunkový mechanizmus iniciuje proces čítania génu do RNA, po ktorom sa RNA preloží na funkčný proteín, ktorý je produktom génovej expresie. Prítomnosť MECP2 na mieste začiatku transkripcie, kde začína génová expresia, je v súlade s jeho úlohou ako génového aktivátora.

Výskumníci sa potom rozhodli určiť, akú úlohu hrá MECP2 pri aktivácii génov. Skúmali, na ktoré molekuly sa MECP2 na tomto mieste viaže okrem DNA, a zistili, že MECP2 priamo interaguje s proteínovým komplexom nazývaným RNA polymeráza II (RNA Pol II). RNA Pol II je kľúčový bunkový stroj, ktorý prepisuje DNA na RNA. RNA Pol II nedokáže nájsť gény sama o sebe, takže vyžaduje veľa kofaktorov alebo spolupracujúcich proteínov, ktoré jej pomáhajú vykonávať svoju prácu.

Výskumníci predpokladajú, že MECP2 slúži ako jeden takýto kofaktor, ktorý pomáha RNA Pol II iniciovať transkripciu v génoch, kde sa MECP2 viaže. Štrukturálna analýza MECP2 identifikovala časti molekuly, ktoré sa viažu na RNA Pol II, a ďalšie experimenty potvrdili, že strata MECP2 znižuje prítomnosť RNA Pol II na relevantných miestach začiatku transkripcie, ako aj úrovne expresie cieľových génov.

To naznačuje, že Rettov syndróm môže byť spôsobený zníženou transkripciou génov cielených MECP2 v dôsledku mutácií v MECP2, ktoré mu bránia vo väzbe na RNA Pol II alebo na DNA. V súlade s touto myšlienkou sú najbežnejšie mutácie MECP2 spojené s ochorením skrátenia: mutácie, v ktorých chýba časť proteínu, čo môže zmeniť interakciu medzi MECP2 a RNA Pol II.

Výskumníci dúfajú, že ich zistenia nielen zmenia naše chápanie MECP2, ale že hlbšie a širšie pochopenie toho, ako MECP2 ovplyvňuje vývoj a funkciu mozgu, môže viesť k novým poznatkom, ktoré pomôžu ľuďom s Rettovým syndrómom a súvisiacimi poruchami, vrátane autizmus.

„Tento projekt je vynikajúcim príkladom spolupráce pri práci laboratória Jaenisch,“ hovorí Flamier. "Rudolph a Yi mali špecifický problém s Rettovým syndrómom a ja som mal skúsenosti s technológiou CUT&Tag, ktorá by mohla tento problém vyriešiť. Prostredníctvom diskusie sme si uvedomili, že by sme mohli spojiť svoje úsilie a teraz máme skvelé úložisko informácií o MECP2 a jeho súvislosti s chorobou.“