Nowe dowody pogłębiają wiedzę na temat przyczyn zespołu Retta

Zespół Retta to rzadkie zaburzenie neurorozwojowe, na które obecnie nie ma leku ani dobrej terapii. Powoduje poważne objawy fizyczne i poznawcze, z których wiele pokrywa się z zaburzeniami ze spektrum autyzmu.

Zespół Retta jest spowodowany mutacjami w genie MECP2, który ulega silnej ekspresji w mózgu i wydaje się odgrywać ważną rolę w utrzymaniu zdrowia neuronów. Gen zlokalizowany jest na chromosomie X, a zespół ten dotyka przede wszystkim dziewczęta. Aby opracować metody leczenia zespołu Retta, badacze chcą lepiej poznać MECP2 i jego funkcje w mózgu.

Naukowcy, w tym współzałożyciel Instytutu Whitehead Rudolf Jaenisch, badają MECP2 od dziesięcioleci, jednak wiele podstawowych faktów na temat genu pozostaje nieznanych. Białko MECP2, które jest kodowane przez gen, bierze udział w regulacji genów; wiąże się z DNA i wpływa na poziom ekspresji różnych innych genów, co oznacza ilość wytwarzanego przez nie białka.

Naukowcy nie dysponowali jednak pełną listą genów, na które wpływa MECP2, i nie było zgody co do tego, jak MECP2 wpływa na te geny.

Wczesne badania MECP2 sugerowały, że jest to represor, zmniejszający ekspresję genów docelowych, ale badania Jaenischa i innych wykazały wcześniej, że MECP2 działa również jako aktywator, zwiększając ekspresję swoich celów – i że może bądź przede wszystkim aktywatorem. Nieznany był również mechanizm działania MECP2 ani to, co dokładnie robi to białko, co prowadzi do zmian w ekspresji genów.

Ograniczenia technologiczne uniemożliwiły badaczom uzyskanie jasności w tych kwestiach. Jednak Yanish, postdoc w jego laboratorium, Yi Liu, i były członek laboratorium Yanisha, Anthony Flamier, obecnie adiunkt w centrum badawczym CHU Sainte-Justine na Uniwersytecie w Montrealu, wykorzystali najnowocześniejsze metody, aby odpowiedzieć na te pytania pozostałe pytania dotyczące MECP2 i zyskaj nowy wgląd w jego rolę w zdrowiu i chorobach mózgu.

Wyniki ich opublikowano w czasopiśmie Neuron, a badacze utworzyli także internetowe repozytorium swoich danych MECP2, Portal MECP2-NeuroAtlas, jako źródło informacji dla innych badaczy.

„Myślę, że ten artykuł zasadniczo zmieni sposób, w jaki ludzie myślą o tym, jak MECP2 powoduje zespół Retta. Mamy zupełnie nowe zrozumienie tego mechanizmu, co może zapewnić nowe możliwości opracowania metod leczenia tej choroby” – mówi Jaenisch, który jest także profesorem biologii w Massachusetts Institute of Technology.

Zaawansowane zrozumienie MECP2 w mózgu

Naukowcy najpierw stworzyli szczegółową mapę, gdzie MECP2 wiąże się w sekwencji genów ludzkich neuronów, albo w obrębie genów, albo w regionach regulacyjnych DNA w ich pobliżu. Zastosowali podejście zwane CUT&Tag, które może wykrywać interakcje białko-DNA z dużą dokładnością.

Naukowcy odkryli ponad cztery tysiące genów związanych z MECP2. Powtórzyli mapowanie w neuronach z typowymi mutacjami MECP2 związanymi z zespołem Retta, aby określić, gdzie MECP2 jest wyczerpane w stanie chorobowym.

Wiedza o tym, z którymi genami wiąże się MECP2, pozwoliła Liu i Flamierowi rozpocząć tworzenie połączeń między celami MECP2 a zdrowiem mózgu. Odkryli, że wiele z jego celów bierze udział w rozwoju i funkcjonowaniu aksonów neuronalnych i synaps.

Porównali również swoją listę celów MECP2 z bazą danych Simons Foundation Autism Research Initiative (SFARI) genów związanych z autyzmem i odkryli, że 381 genów w tej bazie danych było celami MECP2.

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

Te odkrycia mogą pomóc wyjaśnić mechanizmy leżące u podstaw objawów autyzmu w zespole Retta i stanowić dobry punkt wyjścia do zbadania możliwej roli MECP2 w autyzmie.

„Stworzyliśmy pierwszą zintegrowaną mapę epigenomu MECP2 w zdrowiu i chorobie, a mapa ta może pokierować przyszłymi badaniami” — mówi Liu. „Wiedza o tym, które geny są celem MECP2, a które są bezpośrednio zakłócane w tej chorobie, daje solidną podstawę do zrozumienia zespołu Retta i zadawania pytań o regulację genów w neuronach”.

Naukowcy zbadali również, czy MECP2 zwiększa, czy zmniejsza ekspresję swoich genów docelowych. Zgodnie z historią identyfikowania MECP2 przez niektórych jako aktywatora, a przez innych jako represora, Liu i Flamier znaleźli przykłady, w których MECP2 odgrywa obie role.

Jednakże, chociaż MECP2 jest częściej uważany za represor, Liu i Flamier odkryli, że jest on przede wszystkim aktywatorem —potwierdzając wcześniejsze ustalenia Jaenisch i Liu. Jeden nowy eksperyment wykazał, że MECP2 aktywuje co najmniej 80% swoich celów, a inny, że aktywuje do 88% swoich celów.

Mapa genów docelowych stworzona przez naukowców dostarczyła dodatkowych informacji na temat roli MECP2 jako aktywatora. Odkryli, że w przypadku genów, które MECP2 aktywuje, zazwyczaj wiąże się z regionem DNA powyżej genu zwanym miejscem rozpoczęcia transkrypcji.

To tutaj mechanizm komórkowy inicjuje proces odczytywania genu do RNA, po czym RNA jest tłumaczone na funkcjonalne białko, które jest produktem ekspresji genu. Obecność MECP2 w miejscu rozpoczęcia transkrypcji, gdzie rozpoczyna się ekspresja genu, jest zgodna z jego rolą jako aktywatora genu.

Następnie naukowcy postanowili ustalić, jaką rolę MECP2 odgrywa w aktywowaniu genów. Zbadali, z którymi cząsteczkami MECP2 wiąże się w tym miejscu, oprócz DNA, i odkryli, że MECP2 bezpośrednio oddziałuje z kompleksem białkowym zwanym polimerazą RNA II (RNA Pol II). RNA Pol II to kluczowa maszyna komórkowa, która przepisuje DNA na RNA. RNA Pol II nie może samodzielnie znaleźć genów, więc potrzebuje wielu kofaktorów, czyli współpracujących białek, aby pomóc jej wykonać swoje zadanie.

Naukowcy wysuwają hipotezę, że MECP2 służy jako jeden z takich kofaktorów, pomagając RNA Pol II zainicjować transkrypcję w genach, w których wiąże się MECP2. Analiza strukturalna MECP2 zidentyfikowała części cząsteczki, które wiążą się z RNA Pol II, a inne eksperymenty potwierdziły, że utrata MECP2 zmniejsza obecność RNA Pol II w odpowiednich miejscach rozpoczęcia transkrypcji, a także poziomy ekspresji genów docelowych.

Sugeruje to, że zespół Retta może być spowodowany zmniejszoną transkrypcją genów docelowych MECP2 z powodu mutacji w MECP2, które uniemożliwiają mu wiązanie się z RNA Pol II lub wiązanie się z DNA. Zgodnie z tą ideą, najczęstsze mutacje MECP2 związane z chorobą to skrócenia: mutacje, w których brakuje części białka, co może zmienić interakcję między MECP2 a RNA Pol II.

Naukowcy mają nadzieję, że ich odkrycia nie tylko zmienią nasze zrozumienie MECP2, ale że głębsze i szersze zrozumienie tego, jak MECP2 wpływa na rozwój i funkcjonowanie mózgu, może doprowadzić do nowych spostrzeżeń, które pomogą osobom z zespołem Retta i pokrewnymi zaburzeniami, w tym autyzmem.

„Ten projekt jest doskonałym przykładem współpracy w laboratorium Jaenisch” — mówi Flamier. „Rudolph i Yi mieli konkretny problem z zespołem Retta, a ja miałem doświadczenie z technologią CUT&Tag, która mogłaby rozwiązać ten problem. Dzięki dyskusji zdaliśmy sobie sprawę, że możemy połączyć nasze wysiłki i teraz mamy świetne repozytorium informacji o MECP2 i jego powiązaniach z chorobą”.