Nové zistenia prispievajú k lepšiemu pochopeniu príčin Rettovho syndrómu

Rettov syndróm je zriedkavá neurovývinová porucha, na ktorú v súčasnosti neexistuje liek ani dobrá liečba. Spôsobuje závažné fyzické a kognitívne príznaky, 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. Aby mohli vedci vyvinúť liečbu Rettovho syndrómu, chcú lepšie pochopiť MECP2 a jeho funkcie v mozgu.

Výskumníci vrátane spoluzakladateľa Whiteheadovho inštitútu Rudolfa Jaenischa študujú MECP2 už desaťročia, no mnohé základné fakty o tomto géne zostávajú neznáme. Proteín kódovaný génom MECP2 sa podieľa na regulácii génov; viaže sa na DNA a ovplyvňuje hladiny expresie rôznych iných génov alebo množstvo bielkovín, ktoré produkujú.

Výskumníci však nemali kompletný zoznam génov ovplyvnených MECP2 a neexistoval konsenzus o tom, ako MECP2 tieto gény ovplyvňuje.

Skoršie štúdie MECP2 naznačovali, že ide o represor, ktorý znižuje expresiu cieľových génov, ale výskum Jaenischa a ďalších predtým ukázal, že MECP2 pôsobí aj ako aktivátor, ktorý zvyšuje expresiu svojich cieľov – a že v prvom rade môže byť aktivátorom. Neznámy bol aj mechanizmus účinku MECP2, ani to, čo presne proteín robí, aby spôsobil zmeny v génovej expresii.

Technologické obmedzenia zabránili výskumníkom získať jasno v týchto otázkach. Yanish, postdoktorand Yi Liu z jeho laboratória a bývalý člen Yanishovho laboratória Anthony Flamier, teraz odborný asistent vo výskumnom centre CHU Sainte-Justine na Univerzite v Montréale, však využili najmodernejšie techniky na zodpovedanie týchto zostávajúcich otázok o MECP2 a získali 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, portál MECP2-NeuroAtlas, ako zdroj pre ďalších výskumníkov.

„Myslím si, že tento článok zásadne zmení chápanie ľudí o tom, ako MECP2 spôsobuje Rettov syndróm. Máme úplne nové chápanie mechanizmu a môže poskytnúť nové možnosti pre vývoj liečby tohto ochorenia,“ hovorí Janisch, ktorý je tiež profesorom biológie na MIT.

Hlbšie pochopenie MECP2 v mozgu

Výskumníci najprv vytvorili podrobnú mapu, kde sa MECP2 viaže v sekvenciách ľudských neuronálnych génov, buď v rámci génov, alebo v regulačných oblastiach DNA v ich blízkosti. Použili prístup s názvom CUT&Tag, ktorý dokáže s vysokou presnosťou určiť interakcie proteínov s DNA.

Výskumníci našli viac ako 4 000 génov spojených s MECP2. Zopakovali mapovanie neurónov s bežnými mutáciami MECP2 spojenými s Rettovým syndrómom, aby určili, kde je MECP2 v chorobnom stave vyčerpaný.

Vedomie, na ktoré gény sa MECP2 viaže, umožnilo Liuovi a Flamierovi začať vytvárať súvislosti medzi cieľmi MECP2 a zdravím mozgu. Zistili, že mnohé z jeho cieľov sa podieľajú na vývoji a funkcii neuronálnych axónov a synapsií.

Taktiež porovnali svoj zoznam cieľov MECP2 s databázou génov spojených s autizmom od Simons Foundation Autism Research Initiative (SFARI) a zistili, že 381 génov v tejto databáze sú cieľmi MECP2.

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

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

„Vytvorili sme prvú integrovanú mapu epigenómu MECP2 v zdraví a chorobe a táto mapa môže usmerniť budúci výskum,“ hovorí Liu. „Vedomie toho, ktoré gény sú cieľmi MECP2 a ktoré gény sú priamo narušené pri ochorení, poskytuje pevný základ pre pochopenie Rettovho syndrómu a kladenie otázok o regulácii génov v neurónoch.“

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

Hoci sa MECP2 častejšie považuje za represor, Liu a Flamier zistili, že ide prevažne o aktivátor – čo potvrdzuje predchádzajúce zistenia Jaenischa a Liua. Jeden nový experiment ukázal, že MECP2 aktivuje najmenej 80 % svojich cieľov a ďalší zistil, že aktivuje až 88 % svojich cieľov.

Mapa cieľových génov, ktorú vytvorili výskumníci, poskytla ďalší pohľad na úlohu MECP2 ako aktivátora. Zistili, že gény, ktoré MECP2 aktivuje, sa zvyčajne viažu na oblasť DNA pred génom nazývanú miesto začiatku transkripcie.

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

Výskumníci sa potom rozhodli zistiť, akú úlohu hrá MECP2 v aktivácii génov. Skúmali, na ktoré molekuly sa MECP2 viaže na tomto mieste, okrem DNA, a zistili, že MECP2 interaguje priamo s proteínovým komplexom nazývaným RNA polymeráza II (RNA Pol II). RNA Pol II je kľúčový bunkový stroj, ktorý prepisuje DNA do RNA. RNA Pol II nedokáže sama nájsť gény, takže na vykonávanie svojej funkcie potrebuje rôzne kofaktory alebo proteínové spolupracovníky.

Výskumníci predpokladajú, že MECP2 slúži ako jeden z takýchto kofaktorov, 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 vhodných miestach začiatku transkripcie, ako aj hladiny expresie cieľových génov.

To naznačuje, že Rettov syndróm môže byť spôsobený zníženou transkripciou génov, na ktoré je zameraný MECP2, v dôsledku mutácií MECP2, ktoré mu bránia vo väzbe na RNA Pol II alebo väzbe na DNA. V súlade s touto myšlienkou sú najbežnejšie mutácie MECP2 spojené s ochorením skrátené: mutácie, pri 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, by mohlo viesť k novým poznatkom, ktoré pomôžu ľuďom s Rettovým syndrómom a súvisiacimi poruchami vrátane autizmu.

„Tento projekt je skvelým príkladom kolaboratívnej povahy Janischovho laboratória,“ hovorí Flamier. „S Rudolfom sme mali špecifický problém súvisiaci s Rettovým syndrómom a ja som mal skúsenosti s technológiou CUT&Tag, ktorá by tento problém mohla vyriešiť. Prostredníctvom diskusie sme si uvedomili, že by sme mohli spojiť naše úsilie a teraz máme skvelý zdroj informácií o MECP2 a jeho súvislostiach s ochorením.“