Νέα ευρήματα συμβάλλουν στην καλύτερη κατανόηση των αιτιών του συνδρόμου Rett

Το σύνδρομο Rett είναι μια σπάνια νευροαναπτυξιακή διαταραχή για την οποία δεν υπάρχει προς το παρόν θεραπεία ή καλή θεραπεία. Προκαλεί σοβαρά σωματικά και γνωστικά συμπτώματα, πολλά από τα οποία συμπίπτουν με διαταραχές του φάσματος του αυτισμού.

Το σύνδρομο Rett προκαλείται από μεταλλάξεις στο γονίδιο MECP2, το οποίο εκφράζεται σε υψηλό βαθμό στον εγκέφαλο και φαίνεται να παίζει σημαντικό ρόλο στη διατήρηση της υγείας των νευρώνων. Το γονίδιο βρίσκεται στο χρωμόσωμα Χ και το σύνδρομο επηρεάζει κυρίως τα κορίτσια. Για να αναπτύξουν θεραπείες για το σύνδρομο Rett, οι ερευνητές θέλουν να κατανοήσουν καλύτερα το MECP2 και τις λειτουργίες του στον εγκέφαλο.

Ερευνητές, συμπεριλαμβανομένου του συνιδρυτή του Ινστιτούτου Whitehead, Rudolf Jaenisch, μελετούν το MECP2 εδώ και δεκαετίες, ωστόσο πολλά βασικά στοιχεία για το γονίδιο παρέμειναν άγνωστα. Η πρωτεΐνη που κωδικοποιείται από το γονίδιο, η MECP2, εμπλέκεται στη γονιδιακή ρύθμιση. Συνδέεται με το DNA και επηρεάζει τα επίπεδα έκφρασης διαφόρων άλλων γονιδίων ή την ποσότητα πρωτεΐνης που παράγουν.

Ωστόσο, οι ερευνητές δεν είχαν μια πλήρη λίστα των γονιδίων που επηρεάζονται από το MECP2 και δεν υπήρχε συναίνεση σχετικά με το πώς το MECP2 επηρεάζει αυτά τα γονίδια.

Πρώιμες μελέτες για την MECP2 υποδήλωναν ότι ήταν καταστολέας, μειώνοντας την έκφραση των γονιδίων-στόχων της, αλλά έρευνα του Jaenisch και άλλων είχε δείξει προηγουμένως ότι η MECP2 δρα επίσης ως ενεργοποιητής, αυξάνοντας την έκφραση των γονιδίων-στόχων της - και ότι μπορεί να είναι εξαρχής ένας ενεργοποιητής. Επίσης, άγνωστος ήταν ο μηχανισμός δράσης της MECP2 ή τι ακριβώς κάνει η πρωτεΐνη για να προκαλέσει αλλαγές στην γονιδιακή έκφραση.

Οι περιορισμοί στην τεχνολογία έχουν εμποδίσει τους ερευνητές να κατανοήσουν καλύτερα αυτά τα ερωτήματα. Ωστόσο, ο Yanish, ο μεταδιδακτορικός Yi Liu του εργαστηρίου του, και το πρώην μέλος του εργαστηρίου του Yanish, Anthony Flamier, νυν επίκουρος καθηγητής στο ερευνητικό κέντρο CHU Sainte-Justine στο Πανεπιστήμιο του Μόντρεαλ, χρησιμοποίησαν τεχνικές αιχμής για να απαντήσουν σε αυτά τα εναπομείναντα ερωτήματα σχετικά με την MECP2 και να αποκτήσουν νέες γνώσεις σχετικά με τον ρόλο της στην υγεία του εγκεφάλου και στις ασθένειες.

Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Neuron και οι ερευνητές δημιούργησαν επίσης ένα ηλεκτρονικό αποθετήριο των δεδομένων MECP2, την πύλη MECP2-NeuroAtlas, ως πόρο για άλλους ερευνητές.

«Νομίζω ότι αυτή η εργασία θα αλλάξει ριζικά την κατανόηση του πώς το MECP2 προκαλεί το σύνδρομο Rett. Έχουμε μια εντελώς νέα κατανόηση του μηχανισμού και μπορεί να προσφέρει νέες οδούς για την ανάπτυξη θεραπειών για την ασθένεια», λέει ο Janisch, ο οποίος είναι επίσης καθηγητής βιολογίας στο MIT.

Βαθύτερη Κατανόηση του MECP2 στον Εγκέφαλο

Οι ερευνητές δημιούργησαν αρχικά έναν λεπτομερή χάρτη των σημείων σύνδεσης της MECP2 στις αλληλουχίες ανθρώπινων νευρωνικών γονιδίων, είτε εντός των γονιδίων είτε σε ρυθμιστικές περιοχές του DNA κοντά σε αυτά. Χρησιμοποίησαν μια προσέγγιση που ονομάζεται CUT&Tag, η οποία μπορεί να εντοπίσει τις αλληλεπιδράσεις πρωτεϊνών με το DNA με υψηλή ακρίβεια.

Οι ερευνητές βρήκαν περισσότερα από 4.000 γονίδια που σχετίζονται με το MECP2. Επανέλαβαν τη χαρτογράφηση τους σε νευρώνες με κοινές μεταλλάξεις MECP2 που σχετίζονται με το σύνδρομο Rett για να προσδιορίσουν πού το MECP2 έχει εξαντληθεί στην παθολογική κατάσταση.

Γνωρίζοντας με ποια γονίδια συνδέεται η MECP2, οι Liu και Flamier άρχισαν να συνδέουν τους στόχους της MECP2 με την υγεία του εγκεφάλου. Διαπίστωσαν ότι πολλοί από τους στόχους της εμπλέκονται στην ανάπτυξη και τη λειτουργία των νευρωνικών αξόνων και των συνάψεων.

Συνέκριναν επίσης τη λίστα των στόχων MECP2 με τη βάση δεδομένων της Πρωτοβουλίας Έρευνας για τον Αυτισμό (SFARI) του Ιδρύματος Simons για τα γονίδια που σχετίζονται με τον αυτισμό και διαπίστωσαν ότι 381 γονίδια σε αυτήν τη βάση δεδομένων είναι στόχοι MECP2.

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

Αυτά τα ευρήματα μπορούν να βοηθήσουν στην αποσαφήνιση των μηχανισμών που διέπουν τα συμπτώματα του αυτισμού στο σύνδρομο Rett και να αποτελέσουν ένα καλό σημείο εκκίνησης για τη διερεύνηση του πιθανού ρόλου του MECP2 στον αυτισμό.

«Δημιουργήσαμε τον πρώτο ολοκληρωμένο χάρτη του επιγονιδιώματος MECP2 στην υγεία και την ασθένεια και αυτός ο χάρτης μπορεί να καθοδηγήσει τη μελλοντική έρευνα», λέει ο Liu. «Η γνώση των γονιδίων που είναι στόχοι του MECP2 και των γονιδίων που διαταράσσονται άμεσα στην ασθένεια, παρέχει μια σταθερή βάση για την κατανόηση του συνδρόμου Rett και για τη διατύπωση ερωτημάτων σχετικά με τη γονιδιακή ρύθμιση στους νευρώνες».

Οι ερευνητές εξέτασαν επίσης εάν το MECP2 αύξησε ή μείωσε την έκφραση των γονιδίων-στόχων του. Σε συμφωνία με το ιστορικό του MECP2 που αναγνωρίζεται από ορισμένους ως ενεργοποιητής και από άλλους ως καταστολέας, οι Liu και Flamier βρήκαν παραδείγματα όπου το MECP2 έπαιξε και τους δύο ρόλους.

Ωστόσο, ενώ το MECP2 θεωρείται συχνότερα ως καταστολέας, οι Liu και Flamier διαπίστωσαν ότι είναι κυρίως ενεργοποιητής - επιβεβαιώνοντας προηγούμενα ευρήματα των Jaenisch και Liu. Ένα νέο πείραμα έδειξε ότι το MECP2 ενεργοποιεί τουλάχιστον το 80% των στόχων του και ένα άλλο διαπίστωσε ότι ενεργοποιεί έως και το 88% των στόχων του.

Ο χάρτης των γονιδίων-στόχων που δημιούργησαν οι ερευνητές παρείχε πρόσθετη εικόνα για τον ρόλο του MECP2 ως ενεργοποιητή. Διαπίστωσαν ότι για τα γονίδια που ενεργοποιεί το MECP2, συνήθως συνδέεται με μια περιοχή του DNA ανάντη του γονιδίου που ονομάζεται θέση έναρξης μεταγραφής.

Αυτή είναι η θέση όπου ο κυτταρικός μηχανισμός ξεκινά τη διαδικασία μεταγραφής ενός γονιδίου σε RNA, μετά την οποία το RNA μεταφράζεται σε μια λειτουργική πρωτεΐνη, η οποία είναι το προϊόν της γονιδιακής έκφρασης. Η παρουσία του MECP2 στη θέση έναρξης της μεταγραφής, όπου ξεκινά η γονιδιακή έκφραση, είναι συνεπής με τον ρόλο του ως ενεργοποιητή γονιδίων.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές ξεκίνησαν να προσδιορίσουν τον ρόλο που παίζει η MECP2 στην ενεργοποίηση γονιδίων. Εξέτασαν σε ποια μόρια συνδέεται η MECP2 σε αυτό το σημείο, εκτός από το DNA, και διαπίστωσαν ότι η MECP2 αλληλεπιδρά άμεσα με ένα πρωτεϊνικό σύμπλεγμα που ονομάζεται RNA πολυμεράση II (RNA Pol II). Η RNA Pol II είναι μια βασική κυτταρική μηχανή που μεταγράφει το DNA σε RNA. Η RNA Pol II δεν μπορεί να βρει γονίδια από μόνη της, επομένως απαιτεί μια ποικιλία συμπαραγόντων ή συνεργατών πρωτεϊνών για να τη βοηθήσουν να κάνει τη δουλειά της.

Οι ερευνητές προτείνουν ότι το MECP2 χρησιμεύει ως ένας τέτοιος συμπαράγοντας, βοηθώντας το RNA Pol II να ξεκινήσει τη μεταγραφή σε γονίδια όπου συνδέεται με το MECP2. Η δομική ανάλυση του MECP2 έχει εντοπίσει μέρη του μορίου που συνδέονται με το RNA Pol II, και άλλα πειράματα έχουν επιβεβαιώσει ότι η απώλεια του MECP2 μειώνει την παρουσία του RNA Pol II σε κατάλληλες θέσεις έναρξης μεταγραφής, καθώς και τα επίπεδα έκφρασης των γονιδίων-στόχων.

Αυτό υποδηλώνει ότι το σύνδρομο Rett μπορεί να προκαλείται από μειωμένη μεταγραφή γονιδίων που στοχεύει η MECP2 λόγω μεταλλάξεων της MECP2 που την εμποδίζουν να συνδεθεί με την RNA Pol II ή με το DNA. Σύμφωνα με αυτή την ιδέα, οι πιο συχνές μεταλλάξεις MECP2 που σχετίζονται με ασθένειες είναι οι περικοπές: μεταλλάξεις στις οποίες λείπει ένα μέρος της πρωτεΐνης, οι οποίες μπορεί να μεταβάλλουν την αλληλεπίδραση μεταξύ MECP2 και RNA Pol II.

Οι ερευνητές ελπίζουν ότι τα ευρήματά τους όχι μόνο θα αλλάξουν την κατανόησή μας για το MECP2, αλλά ότι μια βαθύτερη και ευρύτερη κατανόηση του πώς το MECP2 επηρεάζει την ανάπτυξη και τη λειτουργία του εγκεφάλου θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες γνώσεις που θα βοηθήσουν τα άτομα με σύνδρομο Rett και σχετικές διαταραχές, συμπεριλαμβανομένου του αυτισμού.

«Αυτό το έργο αποτελεί ένα εξαιρετικό παράδειγμα της συνεργατικής φύσης του εργαστηρίου Janisch», λέει ο Flamier. «Ο Rudolf και εγώ είχαμε ένα συγκεκριμένο πρόβλημα που σχετιζόταν με το σύνδρομο Rett και είχα εμπειρία με την τεχνολογία CUT&Tag, η οποία θα μπορούσε να λύσει το πρόβλημα. Μέσω συζήτησης, συνειδητοποιήσαμε ότι θα μπορούσαμε να συνδυάσουμε τις προσπάθειές μας και τώρα έχουμε ένα εξαιρετικό αποθετήριο πληροφοριών σχετικά με το MECP2 και τις σχέσεις του με ασθένειες».