Νέα στοιχεία προωθούν την κατανόηση των αιτιών του συνδρόμου Rett

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

Το

Σύνδρομο Rett προκαλείται από μεταλλάξεις στο γονίδιο MECP2, το οποίο εκφράζεται σε μεγάλο 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 για δεκαετίες, ωστόσο πολλά βασικά στοιχεία για το γονίδιο παρέμειναν άγνωστα. Η πρωτεΐνη MECP2, η οποία κωδικοποιείται από το γονίδιο, εμπλέκεται στη ρύθμιση των γονιδίων. Συνδέεται με το DNA και επηρεάζει τα επίπεδα έκφρασης διαφόρων άλλων γονιδίων, δηλαδή την ποσότητα πρωτεΐνης που παράγουν.

Ωστόσο, οι ερευνητές δεν είχαν πλήρη λίστα με τα γονίδια που επηρεάζει το MECP2 και δεν υπήρξε συναίνεση σχετικά με το πώς το MECP2 επηρεάζει αυτά τα γονίδια.

Πρώιμες μελέτες του MECP2 έδειξαν ότι ήταν ένας καταστολέας, μειώνοντας την έκφραση των γονιδίων-στόχων του, αλλά η έρευνα από τον Jaenisch και άλλους είχε δείξει προηγουμένως ότι το MECP2 δρα και ως ενεργοποιητής, αυξάνοντας την έκφραση των στόχων του — και ότι μπορεί να είσαι ενεργοποιητής καταρχάς. Επίσης άγνωστος ήταν ο μηχανισμός δράσης του MECP2 ή τι ακριβώς κάνει η πρωτεΐνη που οδηγεί σε αλλαγές στη γονιδιακή έκφραση.

Οι περιορισμοί στην τεχνολογία εμπόδισαν τους ερευνητές να αποκτήσουν σαφήνεια σε αυτά τα ερωτήματα. Αλλά ο Yanish, ένας μεταδιδάκτορας στο εργαστήριό του, ο Yi Liu, και ένα πρώην μέλος του εργαστηρίου του Yanish, ο Anthony Flamier, τώρα επίκουρος καθηγητής στο ερευνητικό κέντρο CHU Sainte-Justine στο Πανεπιστήμιο του Μόντρεαλ, έχουν χρησιμοποιήσει μεθόδους αιχμής για να απαντήσουν σε αυτά. Απομένουν ερωτήσεις σχετικά με το MECP2 και αποκτήστε νέες γνώσεις σχετικά με το ρόλο του στην υγεία και τις ασθένειες του εγκεφάλου.

Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Neuron και οι ερευνητές δημιούργησαν επίσης ένα διαδικτυακό αποθετήριο των δεδομένων τους MECP2, το Η πύλη MECP2-NeuroAtlas, ως πηγή για άλλους ερευνητές.

"Πιστεύω ότι αυτό το έγγραφο θα αλλάξει θεμελιωδώς τον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι σκέφτονται για το πώς το MECP2 προκαλεί το σύνδρομο Rett. Έχουμε μια εντελώς νέα κατανόηση του μηχανισμού και αυτό μπορεί να προσφέρει νέες οδούς για την ανάπτυξη θεραπειών για αυτήν την ασθένεια", λέει ο Jaenisch, ο οποίος είναι επίσης Καθηγητής Βιολογίας στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης.

Προηγμένη κατανόηση του MECP2 στον εγκέφαλο

Οι ερευνητές δημιούργησαν αρχικά έναν λεπτομερή χάρτη για το πού δεσμεύεται το MECP2 στη γονιδιακή αλληλουχία των ανθρώπινων νευρώνων, είτε εντός γονιδίων είτε σε ρυθμιστικές περιοχές του DNA κοντά τους. Χρησιμοποίησαν μια προσέγγιση που ονομάζεται CUT&Tag, η οποία μπορεί να ανιχνεύσει αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-DNA με υψηλή ακρίβεια.

Οι ερευνητές ανακάλυψαν περισσότερα από τέσσερις χιλιάδες 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 εξαντλείται το MECP2 στην κατάσταση της νόσου.

Η γνώση των γονιδίων που συνδέονται με το MECP2 επέτρεψε στον Liu και στον Flamier να αρχίσουν να κάνουν συνδέσεις μεταξύ των στόχων του MECP2 και της υγείας του εγκεφάλου. Διαπίστωσαν ότι πολλοί από τους στόχους του εμπλέκονται στην ανάπτυξη και λειτουργία νευρωνικών αξόνων και συνάψεων.

Σύγκρισαν επίσης τη λίστα με τους στόχους MECP2 με τη βάση δεδομένων Simons Foundation Autism Research Initiative (SFARI) για γονίδια που σχετίζονται με τον αυτισμό και διαπίστωσαν ότι 381 γονίδια σε αυτήν τη βάση δεδομένων ήταν στόχοι MECP2.

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

Αυτά τα ευρήματα μπορεί να βοηθήσουν στην αποσαφήνιση των μηχανισμών που κρύβουν 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 του MECP2 στην υγεία και τις ασθένειες και αυτός ο χάρτης μπορεί να καθοδηγήσει τη μελλοντική έρευνα", λέει ο Liu. "Η γνώση των γονιδίων που στοχεύουν το MECP2 και ποια γονίδια διαταράσσονται άμεσα στη νόσο, παρέχει μια ισχυρή βάση για την κατανόηση του συνδρόμου Rett και την υποβολή ερωτήσεων σχετικά με τη γονιδιακή ρύθμιση στους νευρώνες."

Οι ερευνητές εξέτασαν επίσης εάν το MECP2 αυξάνει ή μειώνει την έκφραση των γονιδίων-στόχων του. Σε συμφωνία με το ιστορικό του MECP2 που προσδιορίζεται από κάποιους ως ενεργοποιητής και από άλλους ως καταστολέας, οι Liu και Flamier βρήκαν παραδείγματα όπου το MECP2 παίζει και τους δύο ρόλους.

Ωστόσο, αν και το MECP2 θεωρείται πιο συχνά ως καταστολέας, οι Liu και Flamier διαπίστωσαν ότι είναι πρωτίστως ένας ενεργοποιητής—επιβεβαιώνοντας τα προηγούμενα ευρήματα των Jaenisch και Liu. Ένα νέο πείραμα έδειξε ότι το MECP2 ενεργοποιεί τουλάχιστον το 80% των στόχων του και ένα άλλο ότι ενεργοποιεί έως και το 88% των στόχων του.

Ο χάρτης γονιδίου στόχου που δημιουργήθηκε από τους ερευνητές παρείχε πρόσθετη εικόνα του ρόλου του MECP2 ως ενεργοποιητή. Βρήκαν ότι για τα γονίδια που ενεργοποιεί το MECP2, συνήθως δεσμεύεται σε μια περιοχή του DNA ανάντη του γονιδίου που ονομάζεται θέση έναρξης μεταγραφής.

Εδώ είναι όπου ο κυτταρικός μηχανισμός ξεκινά τη διαδικασία ανάγνωσης 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 σύμφωνη με το ρόλο του ως ενεργοποιητή γονιδίου.

Οι ερευνητές στη συνέχεια ξεκίνησαν να προσδιορίσουν τον ρόλο που παίζει το MECP2 στην ενεργοποίηση των γονιδίων. Μελέτησαν με ποια μόρια δεσμεύεται το MECP2 σε αυτή τη θέση, εκτός από το DNA, και διαπίστωσαν ότι το MECP2 αλληλεπιδρά άμεσα με ένα πρωτεϊνικό σύμπλεγμα που ονομάζεται RNA πολυμεράση II (RNA Pol II). Το RNA Pol II είναι μια βασική κυτταρική μηχανή που μεταγράφει το DNA σε RNA. Το RNA Pol II δεν μπορεί να βρει γονίδια από μόνο του, επομένως απαιτεί πολλούς συμπαράγοντες, ή συνεργαζόμενες πρωτεΐνες, για να το βοηθήσουν να κάνει τη δουλειά του.

Οι ερευνητές υποθέτουν ότι το MECP2 χρησιμεύει ως ένας τέτοιος συμπαράγοντας, βοηθώντας το RNA Pol II να ξεκινήσει τη μεταγραφή σε γονίδια όπου δεσμεύεται το MECP2. Η δομική ανάλυση του MECP2 εντόπισε τμήματα του μορίου που συνδέονται με το RNA Pol II και άλλα πειράματα επιβεβαίωσαν ότι η απώλεια του MECP2 μειώνει την παρουσία του RNA Pol II σε σχετικές θέσεις έναρξης της μεταγραφής καθώς και τα επίπεδα έκφρασης των γονιδίων-στόχων.

Αυτό υποδηλώνει ότι το σύνδρομο Rett μπορεί να προκαλείται από μειωμένη μεταγραφή γονιδίων που στοχεύουν το MECP2 λόγω μεταλλάξεων στο MECP2 που το εμποδίζουν από τη δέσμευσή του στο RNA Pol II ή τη δέσμευσή του στο DNA. Σύμφωνα με αυτήν την ιδέα, οι πιο κοινές μεταλλάξεις MECP2 που σχετίζονται με ασθένεια είναι οι περικοπές: μεταλλάξεις στις οποίες λείπει μέρος της πρωτεΐνης, οι οποίες μπορούν να αλλάξουν 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 τρόπου με τον οποίο το MECP2 επηρεάζει την ανάπτυξη και τη λειτουργία του εγκεφάλου μπορεί να οδηγήσει σε νέες ιδέες που θα βοηθήσουν άτομα με σύνδρομο Rett και σχετικές διαταραχές, όπως αυτισμός.

"Αυτό το έργο είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα της συνεργατικής φύσης της δουλειάς του εργαστηρίου Jaenisch", λέει ο Flamier. "Ο Rudolph και ο Yi είχαν ένα συγκεκριμένο πρόβλημα με το σύνδρομο Rett και είχα εμπειρία με την τεχνολογία CUT&Tag που θα μπορούσε να λύσει αυτό το πρόβλημα. Μέσα από συζήτηση, συνειδητοποιήσαμε ότι μπορούσαμε να συνδυάσουμε τις προσπάθειές μας και τώρα έχουμε μια μεγάλη αποθήκη πληροφοριών για το MECP2 και τους δεσμούς της με την ασθένεια."