Penemuan baru menyumbang kepada pemahaman yang lebih baik tentang punca sindrom Rett

Sindrom Rett adalah gangguan perkembangan saraf yang jarang berlaku yang pada masa ini tiada penawar atau rawatan 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 dinyatakan dalam otak dan kelihatan 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 yang dikodkan oleh gen, MECP2, terlibat dalam peraturan gen; ia mengikat DNA dan mempengaruhi tahap ekspresi pelbagai gen lain, atau jumlah protein yang dihasilkannya.

Walau bagaimanapun, penyelidik tidak mempunyai senarai lengkap gen yang terjejas oleh 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 pada mulanya. Juga tidak diketahui ialah mekanisme tindakan MECP2, atau apa sebenarnya yang dilakukan oleh protein untuk menyebabkan perubahan dalam ekspresi gen.

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

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

"Saya fikir kertas ini secara asasnya akan mengubah pemahaman orang tentang bagaimana MECP2 menyebabkan sindrom Rett. Kami mempunyai pemahaman yang sama sekali baru tentang mekanisme itu, dan ia mungkin menyediakan jalan baharu untuk membangunkan rawatan untuk penyakit itu," kata Janisch, yang juga seorang profesor biologi di MIT.

Pemahaman Lebih Mendalam tentang MECP2 dalam Otak

Para penyelidik mula-mula mencipta peta terperinci di mana 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 menentukan interaksi protein dengan DNA dengan ketepatan tinggi.

Para penyelidik mendapati lebih daripada 4,000 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 yang berkaitan dengan 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 epigenome MECP2 dalam kesihatan dan penyakit, dan peta ini boleh membimbing penyelidikan masa depan," kata Liu. "Mengetahui gen mana yang menjadi sasaran MECP2, dan gen mana 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 melihat sama ada MECP2 meningkatkan atau menurunkan 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, sementara MECP2 lebih kerap dianggap sebagai penindas, Liu dan Flamier mendapati bahawa ia kebanyakannya adalah pengaktif— mengesahkan penemuan sebelumnya oleh Jaenisch dan Liu. Satu percubaan baharu menunjukkan MECP2 mengaktifkan sekurang-kurangnya 80% daripada sasarannya, dan satu lagi mendapati ia mengaktifkan sehingga 88% daripada sasarannya.

Peta gen sasaran yang dicipta oleh penyelidik memberikan gambaran 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.

Ini adalah tapak di mana jentera selular memulakan proses transkripsi gen kepada RNA, selepas itu RNA diterjemahkan kepada protein berfungsi, yang merupakan produk 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 pengaktifan gen. Mereka melihat molekul MECP2 yang mengikat di tapak ini, sebagai tambahan kepada DNA, dan mendapati MECP2 berinteraksi secara langsung 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 pelbagai kofaktor, atau kolaborator protein, untuk membantunya menjalankan tugasnya.

Para penyelidik mencadangkan 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 RNA Pol II, dan eksperimen lain telah mengesahkan bahawa kehilangan MECP2 mengurangkan kehadiran RNA Pol II di tapak permulaan transkripsi yang sesuai, serta tahap ekspresi gen sasaran.

Ini menunjukkan bahawa sindrom Rett mungkin disebabkan oleh penurunan transkripsi gen yang disasarkan oleh MECP2 disebabkan oleh mutasi 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 adalah contoh hebat sifat kolaboratif makmal Janisch, " kata Flamier. "Rudolf dan saya mempunyai masalah khusus yang berkaitan dengan sindrom Rett, dan saya mempunyai pengalaman dengan teknologi CUT&Tag, yang boleh menyelesaikan masalah itu. Melalui perbincangan, kami menyedari bahawa kami boleh menggabungkan usaha kami, dan kini kami mempunyai repositori maklumat yang hebat tentang MECP2 dan pautannya kepada penyakit."