Uudet todisteet edistävät Rett-oireyhtymän syiden ymmärtämistä

Rett-oireyhtymä on harvinainen hermoston kehityshäiriö, jolle ei tällä hetkellä ole parannuskeinoa tai hyvää hoitoa. Se aiheuttaa vakavia fyysisiä ja kognitiivisia oireita, joista monet ovat päällekkäisiä autismikirjon häiriöiden kanssa.

Rett-oireyhtymä johtuu mutaatioista MECP2-geenissä, joka ilmentyy voimakkaasti aivoissa ja jolla näyttää olevan tärkeä rooli hermosolujen terveyden ylläpitämisessä. Geeni sijaitsee X-kromosomissa, ja oireyhtymä vaikuttaa ensisijaisesti tyttöihin. Rett-oireyhtymän hoitojen kehittämiseksi tutkijat haluavat ymmärtää paremmin MECP2:ta ja sen toimintoja aivoissa.

Tutkijat, mukaan lukien Whitehead Instituten perustaja Rudolf Jaenisch, ovat tutkineet MECP2:ta vuosikymmeniä, mutta monet perusasiat geenistä jäivät tuntemattomiksi. Geenin koodaama MECP2-proteiini osallistuu geenin säätelyyn; se sitoutuu DNA:han ja vaikuttaa useiden muiden geenien ilmentymistasoihin eli niiden tuottaman proteiinin määrään.

Tutkijoilla ei kuitenkaan ollut täydellistä luetteloa geeneistä, joihin MECP2 vaikuttaa, eikä ollut yksimielisyyttä siitä, kuinka MECP2 vaikuttaa näihin geeneihin.

MeCP2:n varhaiset tutkimukset viittaavat siihen, että se oli repressori, joka vähentää sen kohdegeenien ilmentymistä, mutta Jaenischin ja muiden tekemät tutkimukset olivat aiemmin osoittaneet, että MECP2 toimii myös aktivaattorina, mikä lisää kohteidensa ilmentymistä – ja että se saattaa ole ensin aktivaattori. Tuntematon oli myös MECP2:n toimintamekanismi tai se, mitä proteiini tarkalleen tekee, mikä johtaa muutoksiin geeniekspressiossa.

Teknologian rajoitukset ovat estäneet tutkijoita saamasta selvyyttä näihin kysymyksiin. Mutta Yanish, laboratorionsa postdoc Yi Liu ja entinen Yanishin laboratorion jäsen Anthony Flamier, joka on nyt apulaisprofessori CHU Sainte-Justine -tutkimuskeskuksessa Université de Montréalissa, ovat käyttäneet huippuluokan menetelmiä vastatakseen näihin kysymyksiin. Jäljellä olevat kysymykset MECP2:sta ja saada uusia näkemyksiä sen roolista aivojen terveydessä ja sairauksissa.

Tulokset julkaistiin -lehdessä Neuron, ja tutkijat loivat myös verkkotietovaraston MECP2-tiedoistaan, MECP2-NeuroAtlas -portaali, resurssi muille tutkijoille.

"Uskon, että tämä artikkeli muuttaa perusteellisesti ihmisten ajattelua siitä, kuinka MECP2 aiheuttaa Rett-oireyhtymän. Meillä on täysin uusi käsitys mekanismista, ja tämä voi tarjota uusia mahdollisuuksia kehittää hoitoja tähän sairauteen", sanoo Jaenisch, joka on myös biologian professori Massachusetts Institute of Technologyssa.

Edistynyt ymmärrys MECP2:sta aivoissa

Tutkijat loivat ensin yksityiskohtaisen kartan MECP2:n sitoutumisesta ihmisen hermosolujen geenisekvenssissä joko geeneissä tai niitä lähellä olevilla DNA:n säätelyalueilla. He käyttivät lähestymistapaa nimeltä CUT&Tag, joka voi havaita proteiini-DNA-vuorovaikutuksia suurella tarkkuudella.

Tutkijat ovat löytäneet yli neljä tuhatta MECP2:een liittyvää geeniä. He toistivat kartoituksensa neuroneissa, joissa oli yleisiä Rett-oireyhtymään liittyviä MECP2-mutaatioita määrittääkseen, missä MECP2 on ehtynyt sairaustilassa.

Kun tiedettiin, mihin geeneihin MECP2 sitoutuu, Liu ja Flamier alkoivat luoda yhteyksiä MECP2:n kohteiden ja aivojen terveyden välillä. He havaitsivat, että monet sen kohteista ovat mukana hermosolujen aksonien ja synapsien kehityksessä ja toiminnassa.

He myös vertasivat MECP2-kohteiden luetteloaan Simons Foundation Autism Research Initiativen (SFARI) autismiin liittyvien geenien tietokantaan ja havaitsivat, että 381 tietokannan geeniä oli MECP2-kohteita.

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

Nämä löydöt voivat auttaa selventämään Rett-oireyhtymän autismin oireiden taustalla olevia mekanismeja ja tarjoavat hyvän lähtökohdan MECP2:n mahdollisen roolin tutkimiselle autismissa.

"Olemme luoneet ensimmäisen integroidun kartan MECP2:n epigenomista terveyteen ja sairauksiin, ja tämä kartta voi ohjata tulevaa tutkimusta", Liu sanoo. "Tietäminen, mitkä geenit ovat MECP2:n kohteena ja mitkä geenit ovat suoraan häiriintyneet taudissa, tarjoaa vahvan perustan Rett-oireyhtymän ymmärtämiselle ja hermosolujen geenisäätelyyn liittyvien kysymysten esittämiselle."

Tutkijat tutkivat myös, lisääkö vai vähentääkö MECP2 kohdegeeniensä ilmentymistä. Sen mukaan, että MECP2:n historia on todettu aktivaattoriksi ja toisten tukahduttajaksi, Liu ja Flamier löysivät esimerkkejä, joissa MECP2 toimii molemmissa rooleissa.

Vaikka MECP2:ta pidetään useammin tukahduttajana, Liu ja Flamier huomasivat sen olevan ensisijaisesti aktivaattori – vahvistaen Jaenischin ja Liun aikaisemmat havainnot. Yksi uusi koe osoitti, että MECP2 aktivoi vähintään 80 % kohteistaan ja toinen, että se aktivoi jopa 88 % kohteistaan.

Tutkijoiden luoma kohdegeenikartta antoi lisätietoa MECP2:n roolista aktivaattorina. He havaitsivat, että MECP2:n aktivoimien geenien kohdalla se tyypillisesti sitoutuu geenistä ylävirtaan olevaan DNA-alueeseen, jota kutsutaan transkription aloituspaikaksi.

Tässä solukoneisto käynnistää prosessin, jossa geeni luetaan RNA:ksi, minkä jälkeen RNA muunnetaan toiminnalliseksi proteiiniksi, joka on geenin ilmentymisen tuote. MECP2:n läsnäolo transkription aloituskohdassa, jossa geenin ilmentyminen alkaa, on yhdenmukainen sen roolin kanssa geeniaktivaattorina.

Tutkijat päättivät sitten selvittää, mikä rooli MECP2:lla on geenien aktivoinnissa. He tutkivat, mihin molekyyleihin MECP2 sitoutuu tässä kohdassa DNA:n lisäksi, ja havaitsivat, että MECP2 on suoraan vuorovaikutuksessa RNA-polymeraasi II:n (RNA Pol II) -nimisen proteiinikompleksin kanssa. RNA Pol II on avainsolukoneisto, joka transkriptoi DNA:n RNA:ksi. RNA Pol II ei löydä geenejä yksinään, joten se vaatii monia kofaktoreita eli yhteistoiminnassa olevia proteiineja auttaakseen sitä suorittamaan tehtävänsä.

Tutkijat olettavat, että MECP2 toimii yhtenä tällaisena kofaktorina, joka auttaa RNA Pol II:ta käynnistämään transkription geeneissä, joihin MECP2 sitoutuu. MECP2:n rakenneanalyysi on tunnistanut molekyylin osia, jotka sitoutuvat RNA Pol II:een, ja muut kokeet ovat vahvistaneet, että MECP2:n häviäminen vähentää RNA Pol II:n läsnäoloa relevanteissa transkription aloituskohdissa sekä kohdegeenien ilmentymistasoja.

Tämä viittaa siihen, että Rett-oireyhtymä voi johtua MECP2:n kohteena olevien geenien transkription vähenemisestä MECP2:n mutaatioiden vuoksi, jotka estävät sitä sitoutumasta RNA Pol II:een tai sitoutumasta DNA:han. Tämän ajatuksen mukaisesti yleisimmät sairauteen liittyvät MECP2-mutaatiot ovat katkaisuja: mutaatioita, joissa osa proteiinista puuttuu, mikä voi muuttaa MECP2:n ja RNA Pol II:n välistä vuorovaikutusta.

Tutkijat toivovat, että heidän havaintonsa eivät muuta vain ymmärrystämme MECP2:sta, vaan että syvempi ja laajempi ymmärrys siitä, kuinka MECP2 vaikuttaa aivojen kehitykseen ja toimintaan, voi johtaa uusiin oivalluksiin, jotka auttavat ihmisiä, joilla on Rett-oireyhtymä ja siihen liittyvät sairaudet, mukaan lukien autismi.

"Tämä projekti on erinomainen esimerkki Jaenisch-laboratorion yhteistyön luonteesta", Flamier sanoo. "Rudolphilla ja Yillä oli erityinen ongelma Rett-oireyhtymän kanssa, ja minulla oli kokemusta CUT&Tag-tekniikasta, joka voisi ratkaista tämän ongelman. Keskustelun kautta ymmärsimme, että voimme yhdistää voimamme, ja nyt meillä on loistava tietovarasto MECP2:sta. Ja sen yhteydet sairauteen."