Bukti baru memajukan pemahaman tentang punca sindrom Rett

Sindrom Rett ialah gangguan perkembangan saraf yang jarang berlaku yang pada masa ini tiada penawar atau terapi yang baik. Ia menyebabkan gejala fizikal dan kognitif yang teruk, kebanyakannya bertindih dengan gangguan spektrum autisme.

Sindrom Rett disebabkan oleh mutasi dalam gen MECP2, yang sangat diekspresikan dalam otak dan nampaknya memainkan peranan penting dalam mengekalkan kesihatan neuron. Gen ini terletak pada kromosom X, dan sindrom ini terutamanya memberi kesan kepada kanak-kanak perempuan. Untuk membangunkan rawatan untuk sindrom Rett, penyelidik ingin lebih memahami MECP2 dan fungsinya dalam otak.

Penyelidik, termasuk pengasas bersama Whitehead Institute, Rudolf Jaenisch, telah mengkaji MECP2 selama beberapa dekad, namun banyak fakta asas tentang gen itu masih tidak diketahui. Protein MECP2, yang dikodkan oleh gen, terlibat dalam peraturan gen; ia mengikat DNA dan menjejaskan tahap ekspresi pelbagai gen lain, bermakna jumlah protein yang dihasilkannya.

Walau bagaimanapun, penyelidik tidak mempunyai senarai lengkap gen yang mempengaruhi MECP2 dan tidak ada konsensus tentang cara MECP2 mempengaruhi gen ini.

Kajian awal MECP2 mencadangkan bahawa ia adalah penindas, mengurangkan ekspresi gen sasarannya, tetapi penyelidikan oleh Jaenisch dan yang lain sebelum ini telah menunjukkan bahawa MECP2 juga bertindak sebagai pengaktif, meningkatkan ekspresi sasarannya — dan ia mungkin menjadi pengaktif di tempat pertama. Juga tidak diketahui ialah mekanisme tindakan MECP2, atau apa sebenarnya yang dilakukan oleh protein yang membawa kepada perubahan dalam ekspresi gen.

Keterbatasan dalam teknologi telah menghalang penyelidik daripada mendapatkan kejelasan tentang soalan ini. Tetapi Yanish, postdoc di makmalnya, Yi Liu, dan bekas ahli makmal Yanish, Anthony Flamier, kini penolong profesor di pusat penyelidikan CHU Sainte-Justine di Université de Montréal, telah menggunakan kaedah canggih untuk menjawab soalan ini. Baki soalan tentang MECP2 dan dapatkan pandangan baharu tentang peranannya dalam kesihatan otak dan penyakit.

Keputusan mereka diterbitkan dalam jurnal Neuron dan penyelidik juga mencipta repositori dalam talian bagi data MECP2 mereka, Portal MECP2-NeuroAtlas, sebagai sumber untuk penyelidik lain.

"Saya rasa kertas kerja ini secara asasnya akan mengubah cara orang berfikir tentang cara MECP2 menyebabkan sindrom Rett. Kami mempunyai pemahaman yang sama sekali baru tentang mekanisme itu, dan ini mungkin menyediakan jalan baharu untuk membangunkan rawatan untuk penyakit ini," kata Jaenisch, yang juga Profesor Biologi di Massachusetts Institute of Technology.

Pemahaman lanjutan tentang MECP2 dalam otak

Para penyelidik mula-mula mencipta peta terperinci tentang tempat MECP2 mengikat dalam jujukan gen neuron manusia, sama ada dalam gen atau dalam kawasan pengawalseliaan DNA berhampiran mereka. Mereka menggunakan pendekatan yang dipanggil CUT&Tag, yang boleh mengesan interaksi protein-DNA dengan ketepatan yang tinggi.

Penyelidik telah menemui lebih daripada empat ribu gen yang dikaitkan dengan MECP2. Mereka mengulangi pemetaan mereka dalam neuron dengan mutasi MECP2 biasa yang dikaitkan dengan sindrom Rett untuk menentukan di mana MECP2 habis dalam keadaan penyakit.

Mengetahui gen MECP2 yang terikat kepada membolehkan Liu dan Flamier mula membuat hubungan antara sasaran MECP2 dan kesihatan otak. Mereka mendapati bahawa banyak sasarannya terlibat dalam pembangunan dan fungsi akson dan sinaps neuron.

Mereka juga membandingkan senarai sasaran MECP2 mereka dengan pangkalan data Inisiatif Penyelidikan Autisme Yayasan Simons (SFARI) bagi gen berkaitan autisme dan mendapati bahawa 381 gen dalam pangkalan data itu adalah sasaran MECP2.

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

Penemuan ini boleh membantu menjelaskan mekanisme yang mendasari gejala autisme dalam sindrom Rett dan memberikan titik permulaan yang baik untuk menyiasat kemungkinan peranan MECP2 dalam autisme.

"Kami telah mencipta peta bersepadu pertama bagi epigenome MECP2 dalam kesihatan dan penyakit, dan peta ini boleh membimbing penyelidikan masa depan," kata Liu. "Mengetahui gen yang disasarkan oleh MECP2, dan gen yang secara langsung terganggu dalam penyakit ini, menyediakan asas yang kukuh untuk memahami sindrom Rett dan bertanya soalan tentang peraturan gen dalam neuron."

Para penyelidik juga mengkaji sama ada MECP2 meningkatkan atau mengurangkan ekspresi gen sasarannya. Selaras dengan sejarah MECP2 yang dikenal pasti oleh sesetengah pihak sebagai pengaktif dan oleh yang lain sebagai penindas, Liu dan Flamier menemui contoh di mana MECP2 memainkan kedua-dua peranan.

Walau bagaimanapun, walaupun MECP2 lebih kerap dianggap sebagai penindas, Liu dan Flamier mendapati bahawa ia adalah pengaktif terutamanya—mengesahkan penemuan terdahulu Jaenisch dan Liu. Satu percubaan baharu menunjukkan MECP2 mengaktifkan sekurang-kurangnya 80% daripada sasarannya dan satu lagi ia mengaktifkan sehingga 88% daripada sasarannya.

Peta gen sasaran yang dibuat oleh penyelidik memberikan pandangan tambahan tentang peranan MECP2 sebagai pengaktif. Mereka mendapati bahawa untuk gen yang MECP2 aktifkan, ia biasanya mengikat kawasan DNA hulu gen yang dipanggil tapak permulaan transkripsi.

Di sinilah jentera selular memulakan proses membaca gen kepada RNA, selepas itu RNA diterjemahkan kepada protein berfungsi, yang merupakan hasil ekspresi gen. Kehadiran MECP2 di tapak permulaan transkripsi di mana ekspresi gen bermula adalah konsisten dengan peranannya sebagai pengaktif gen.

Para penyelidik kemudian menetapkan untuk menentukan peranan MECP2 dalam mengaktifkan gen. Mereka mengkaji molekul MECP2 yang mengikat di tapak ini, sebagai tambahan kepada DNA, dan mendapati MECP2 secara langsung berinteraksi dengan kompleks protein yang dipanggil RNA polimerase II (RNA Pol II). RNA Pol II ialah mesin selular utama yang menyalin DNA ke dalam RNA. RNA Pol II tidak dapat mencari gen sendiri, jadi ia memerlukan banyak kofaktor, atau protein yang bekerjasama, untuk membantunya melakukan tugasnya.

Para penyelidik membuat hipotesis bahawa MECP2 berfungsi sebagai salah satu kofaktor sedemikian, membantu RNA Pol II memulakan transkripsi pada gen di mana MECP2 mengikat. Analisis struktur MECP2 telah mengenal pasti bahagian molekul yang mengikat kepada RNA Pol II, dan eksperimen lain telah mengesahkan bahawa kehilangan MECP2 mengurangkan kehadiran RNA Pol II di tapak permulaan transkripsi yang berkaitan serta tahap ekspresi gen sasaran.

Ini menunjukkan bahawa sindrom Rett mungkin disebabkan oleh penurunan transkripsi gen yang disasarkan oleh MECP2 disebabkan oleh mutasi dalam MECP2 yang menghalangnya daripada mengikat RNA Pol II atau mengikat DNA. Selaras dengan idea ini, mutasi MECP2 yang paling biasa dikaitkan dengan penyakit ialah pemotongan: mutasi di mana bahagian protein hilang, yang boleh mengubah interaksi antara MECP2 dan RNA Pol II.

Para penyelidik berharap penemuan mereka bukan sahaja akan mengubah pemahaman kita tentang MECP2, tetapi pemahaman yang lebih mendalam dan lebih luas tentang cara MECP2 mempengaruhi perkembangan dan fungsi otak boleh membawa kepada cerapan baharu yang akan membantu penghidap sindrom Rett dan gangguan berkaitan, termasuk autisme.

“Projek ini merupakan contoh terbaik sifat kolaboratif kerja makmal Jaenisch,” kata Flamier. "Rudolph dan Yi mempunyai masalah khusus dengan Sindrom Rett, dan saya mempunyai pengalaman dengan teknologi CUT&Tag yang boleh menyelesaikan masalah ini. Melalui perbincangan, kami menyedari bahawa kami boleh menggabungkan usaha kami, dan kini kami mempunyai repositori maklumat yang hebat tentang MECP2 dan kaitannya dengan penyakit itu."