Nové důkazy posouvají pochopení příčin Rettova syndromu

Rettův syndrom je vzácná neurovývojová porucha, pro kterou v současné době neexistuje žádný lék ani dobrá terapie. Způsobuje vážné fyzické a kognitivní příznaky, z nichž mnohé se překrývají s poruchami autistického spektra.

Rettův syndrom je způsoben mutacemi v genu MECP2, který je vysoce exprimován v mozku a zdá se, že hraje důležitou roli při udržování zdraví neuronů. Gen se nachází na chromozomu X a syndrom postihuje především dívky. Aby bylo možné vyvinout léčbu Rettova syndromu, chtějí vědci lépe porozumět MECP2 a jeho funkcím v mozku.

Výzkumníci, včetně spoluzakladatele Whitehead Institute Rudolfa Jaenische, studovali MECP2 po desetiletí, ale mnoho základních faktů o genu zůstalo neznámých. Protein MECP2, který je kódován genem, se účastní genové regulace; váže se na DNA a ovlivňuje úrovně exprese různých jiných genů, což znamená množství bílkovin, které vytvářejí.

Vědci však neměli úplný seznam genů, které MECP2 ovlivňuje, a neexistovala shoda ohledně toho, jak MECP2 tyto geny ovlivňuje.

První studie MECP2 naznačovaly, že jde o represor snižující expresi svých cílových genů, ale výzkum Jaenische a dalších již dříve ukázal, že MECP2 také působí jako aktivátor zvyšující expresi svých cílů – a že může být aktivátorem na prvním místě. Neznámý byl také mechanismus účinku MECP2 nebo co přesně protein dělá, co vede ke změnám v genové expresi.

Omezení v technologii zabránila výzkumníkům získat v těchto otázkách jasno. Ale Yanish, postdoktor ve své laboratoři, Yi Liu, a bývalý člen Yanishovy laboratoře, Anthony Flamier, nyní odborný asistent ve výzkumném centru CHU Sainte-Justine na Université de Montréal, použili špičkové metody, aby na ně odpověděli. Zbývající otázky o MECP2 a získejte nové poznatky o jeho roli ve zdraví a nemocech mozku.

Jejich výsledky byly publikovány v žurnálu Neuron a výzkumníci také vytvořili online úložiště svých dat MECP2, MECP2-NeuroAtlas jako zdroj pro další výzkumníky.

"Myslím, že tato práce zásadně změní způsob, jakým lidé přemýšlejí o tom, jak MECP2 způsobuje Rettův syndrom. Máme zcela nové chápání mechanismu, a to může poskytnout nové cesty pro vývoj léčby této nemoci," říká Jaenisch, který je také profesorem biologie na Massachusetts Institute of Technology.

Pokročilé porozumění MECP2 v mozku

Vědci nejprve vytvořili podrobnou mapu toho, kde se MECP2 váže v genové sekvenci lidských neuronů, buď v genech, nebo v regulačních oblastech DNA v jejich blízkosti. Použili přístup nazvaný CUT&Tag, který dokáže detekovat interakce protein-DNA s vysokou přesností.

Výzkumníci objevili více než čtyři tisíce genů spojených s MECP2. Zopakovali své mapování v neuronech s běžnými mutacemi MECP2 spojenými s Rettovým syndromem, aby určili, kde je ve stavu onemocnění vyčerpán MECP2.

Vědět, na které geny se MECP2 váže, umožnilo Liu a Flamierovi začít vytvářet spojení mezi cíli MECP2 a zdravím mozku. Zjistili, že mnoho z jeho cílů se podílí na vývoji a funkci neuronových axonů a synapsí.

Také porovnali svůj seznam cílů MECP2 s databází genů souvisejících s autismem Simons Foundation Autism Research Initiative (SFARI) a zjistili, že 381 genů v této databázi byly cíle MECP2.

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

Tato zjištění mohou pomoci objasnit mechanismy, které jsou základem symptomů autismu u Rettova syndromu, a poskytnout dobrý výchozí bod pro zkoumání možné role MECP2 u autismu.

"Vytvořili jsme první integrovanou mapu epigenomu MECP2 ve zdraví a nemoci a tato mapa může vést budoucí výzkum," říká Liu. "Vědět, které geny jsou cíleny MECP2 a které geny jsou přímo narušeny při onemocnění, poskytuje silný základ pro pochopení Rettova syndromu a kladení otázek o genové regulaci v neuronech."

Výzkumníci také zkoumali, zda MECP2 zvyšuje nebo snižuje expresi svých cílových genů. V souladu s historií MECP2, kterou někteří označili za aktivátor a jiní za represor, našli Liu a Flamier příklady, kde MECP2 hraje obě role.

Ačkoli je MECP2 častěji považován za represor, Liu a Flamier zjistili, že jde především o aktivátor – potvrzující předchozí zjištění Jaenische a Liu. Jeden nový experiment ukázal, že MECP2 aktivuje alespoň 80 % svých cílů a další, že aktivuje až 88 % svých cílů.

Cílová genová mapa vytvořená výzkumníky poskytla další pohled na roli MECP2 jako aktivátoru. Zjistili, že u genů, které MECP2 aktivuje, se obvykle váže na oblast DNA upstream od genu nazývaného místo začátku transkripce.

To je místo, kde buněčný aparát zahájí proces čtení genu do RNA, po kterém je RNA přeložena na funkční protein, který je produktem genové exprese. Přítomnost MECP2 v místě začátku transkripce, kde začíná genová exprese, je v souladu s jeho rolí jako aktivátoru genu.

Výzkumníci se poté rozhodli zjistit, jakou roli hraje MECP2 při aktivaci genů. Zkoumali, na které molekuly se MECP2 v tomto místě váže kromě DNA, a zjistili, že MECP2 přímo interaguje s proteinovým komplexem zvaným RNA polymeráza II (RNA Pol II). RNA Pol II je klíčový buněčný stroj, který přepisuje DNA na RNA. RNA Pol II nemůže najít geny sama o sobě, takže potřebuje mnoho kofaktorů nebo spolupracujících proteinů, které jí pomohou dělat svou práci.

Výzkumníci předpokládají, že MECP2 slouží jako jeden takový kofaktor, který pomáhá RNA Pol II zahájit transkripci v genech, kde se MECP2 váže. Strukturální analýza MECP2 identifikovala části molekuly, které se vážou na RNA Pol II, a další experimenty potvrdily, že ztráta MECP2 snižuje přítomnost RNA Pol II na relevantních počátečních místech transkripce a také úrovně exprese cílových genů.

To naznačuje, že Rettův syndrom může být způsoben sníženou transkripcí genů cílených MECP2 v důsledku mutací v MECP2, které mu brání ve vazbě na RNA Pol II nebo ve vazbě na DNA. V souladu s touto myšlenkou jsou nejběžnější mutace MECP2 spojené s onemocněním zkrácení: mutace, ve kterých chybí část proteinu, což může změnit interakci mezi MECP2 a RNA Pol II.

Vědci doufají, že jejich zjištění nejen změní naše chápání MECP2, ale že hlubší a širší pochopení toho, jak MECP2 ovlivňuje vývoj a funkci mozku, může vést k novým poznatkům, které pomohou lidem s Rettovým syndromem a souvisejícími poruchami, včetně autismus.

„Tento projekt je vynikajícím příkladem kolaborativní povahy práce laboratoře Jaenisch,“ říká Flamier. "Rudolph a Yi měli specifický problém s Rettovým syndromem a já jsem měl zkušenosti s technologií CUT&Tag, která by tento problém mohla vyřešit. Prostřednictvím diskuse jsme si uvědomili, že můžeme spojit naše úsilí, a nyní máme skvělé úložiště informací o MECP2 a jeho souvislosti s nemocí."