Нови доказателства подобряват разбирането на причините за синдрома на Rett

Синдромът на Rett е рядко разстройство на неврологичното развитие, за което понастоящем няма лек или добра терапия. Той причинява тежки физически и когнитивни симптоми, много от които се припокриват с разстройства от аутистичния спектър.

Синдромът на Rett се причинява от мутации в гена MECP2, който е силно експресиран в мозъка и изглежда играе важна роля в поддържането на здравето на невроните. Генът се намира на X хромозомата и синдромът засяга предимно момичета. За да разработят лечения за синдрома на Rett, изследователите искат да разберат по-добре MECP2 и неговите функции в мозъка.

Изследователи, включително съоснователят на Института Уайтхед Рудолф Йениш, изучават MECP2 от десетилетия, но много основни факти за гена остават неизвестни. Протеинът MECP2, който е кодиран от гена, участва в генната регулация; той се свързва с ДНК и влияе върху нивата на експресия на различни други гени, което означава количеството протеин, което произвеждат.

Изследователите обаче нямаха пълен списък на гените, които MECP2 засяга, и нямаше консенсус за това как MECP2 засяга тези гени.

Ранните проучвания на MECP2 предполагат, че той е репресор, намаляващ експресията на целевите си гени, но изследванията на Jaenisch и други преди това показаха, че MECP2 също действа като активатор, увеличавайки експресията на своите цели - и че може бъдете активатор на първо място. Също така неизвестен беше механизмът на действие на MECP2 или какво точно прави протеинът, което води до промени в генната експресия.

Ограниченията в технологията са попречили на изследователите да получат яснота по тези въпроси. Но Яниш, постдокторант в неговата лаборатория, И Лиу, и бивш член на лабораторията на Яниш, Антъни Фламие, сега асистент в изследователския център CHU Sainte-Justine в Университета на Монреал, са използвали авангардни методи, за да отговорят на тези оставащи въпроси относно MECP2 и придобийте нови прозрения за ролята му в здравето и болестите на мозъка.

Резултатите им бяха публикувани в списанието Neuron и изследователите също създадоха онлайн хранилище на своите MECP2 данни, MECP2-NeuroAtlasпортал, като ресурс за други изследователи.

"Мисля, че тази статия ще промени фундаментално начина, по който хората мислят за това как MECP2 причинява синдрома на Rett. Имаме напълно ново разбиране за механизма и това може да предостави нови пътища за разработване на лечения за това заболяване", казва Jaenisch, който е и професор по биология в Масачузетския технологичен институт.

Разширено разбиране на MECP2 в мозъка

Изследователите първо създадоха подробна карта на мястото, където MECP2 се свързва в генната последователност на човешките неврони, или в гените, или в регулаторните области на ДНК близо до тях. Те използваха подход, наречен CUT&Tag, който може да открие взаимодействия протеин-ДНК с висока точност.

Изследователите са открили повече от четири хиляди гена, свързани с MECP2. Те повториха своето картографиране в неврони с общи MECP2 мутации, свързани със синдрома на Rett, за да определят къде MECP2 е изчерпан в болестното състояние.

Знаейки с кои гени се свързва MECP2 позволи на Liu и Flamier да започнат да правят връзки между целите на MECP2 и здравето на мозъка. Те откриха, че много от неговите цели участват в развитието и функционирането на невронни аксони и синапси.

Те също така сравниха своя списък с MECP2 цели с базата данни на Simons Foundation Autism Research Initiative (SFARI) за гени, свързани с аутизма, и установиха, че 381 гена в тази база данни са MECP2 цели.

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

Тези констатации могат да помогнат за изясняване на механизмите, лежащи в основата на симптомите на аутизъм при синдрома на Rett и да предоставят добра отправна точка за изследване на възможната роля на MECP2 при аутизма.

„Ние създадохме първата интегрирана карта на епигенома на MECP2 в здравеопазването и болестта и тази карта може да ръководи бъдещите изследвания“, казва Лиу. „Знаейки кои гени са насочени към MECP2 и кои гени са директно нарушени при заболяването, осигурява солидна основа за разбиране на синдрома на Rett и задаване на въпроси относно генната регулация в невроните.“

Изследователите също така изследваха дали MECP2 увеличава или намалява експресията на целевите си гени. В съответствие с историята на MECP2, идентифициран от някои като активатор, а от други като репресор, Liu и Flamier откриха примери, при които MECP2 играе и двете роли.

Въпреки че MECP2 по-често се смята за репресор, Liu и Flamier установиха, че той е предимно активатор—потвърждавайки предишните открития на Jaenisch и Liu. Един нов експеримент показа, че MECP2 активира поне 80% от своите цели, а друг, че активира до 88% от своите цели.

Картата на целевия ген, създадена от изследователите, предостави допълнителна представа за ролята на MECP2 като активатор. Те открили, че за гени, които MECP2 активира, той обикновено се свързва с регион на ДНК нагоре по веригата на гена, наречен начален сайт на транскрипция.

Тук клетъчните машини инициират процеса на четене на ген в РНК, след което РНК се транслира във функционален протеин, който е продукт на генна експресия. Наличието на MECP2 в мястото на начало на транскрипцията, където започва генната експресия, е в съответствие с ролята му на генен активатор.

След това изследователите се заели да определят каква роля играе MECP2 в активирането на гените. Те проучиха към кои молекули се свързва MECP2 на това място, в допълнение към ДНК, и откриха, че MECP2 директно взаимодейства с протеинов комплекс, наречен РНК полимераза II (RNA Pol II). RNA Pol II е ключова клетъчна машина, която транскрибира ДНК в РНК. РНК Pol II не може да намери гени сама, така че изисква много кофактори или взаимодействащи протеини, които да й помогнат да върши работата си.

Изследователите предполагат, че MECP2 служи като един такъв кофактор, помагайки на РНК Pol II да инициира транскрипция в гени, където се свързва MECP2. Структурният анализ на MECP2 идентифицира части от молекулата, които се свързват с RNA Pol II, а други експерименти потвърдиха, че загубата на MECP2 намалява присъствието на RNA Pol II в съответните начални места на транскрипция, както и нивата на експресия на целевите гени.

Това предполага, че синдромът на Rett може да бъде причинен от намалена транскрипция на гени, насочени от MECP2, поради мутации в MECP2, които му пречат да се свърже с РНК Pol II или да се свърже с ДНК. В съответствие с тази идея, най-честите MECP2 мутации, свързани с болестта, са съкращения: мутации, при които липсва част от протеина, което може да промени взаимодействието между MECP2 и РНК Pol II.

Изследователите се надяват, че техните открития не само ще променят нашето разбиране за MECP2, но че едно по-задълбочено и по-широко разбиране за това как MECP2 засяга развитието и функцията на мозъка може да доведе до нови прозрения, които ще помогнат на хората със синдром на Rett и свързани с него разстройства, включително аутизъм.

„Този проект е отличен пример за съвместния характер на работата на лабораторията в Яениш“, казва Фламиер. „Рудолф и И имаха специфичен проблем със синдрома на Рет и аз имах опит с технологията CUT&Tag, която можеше да реши този проблем. Чрез дискусия разбрахме, че можем да обединим усилията си и сега имаме страхотно хранилище на информация за MECP2 и връзките му с болестта."