Nye beviser fremmer forståelsen af årsagerne til Retts syndrom

Rett syndrom er en sjælden neuroudviklingslidelse, som der i øjeblikket ikke findes nogen kur eller god behandling for. Det forårsager alvorlige fysiske og kognitive symptomer, hvoraf mange overlapper med autismespektrumforstyrrelser.

Rett syndrom er forårsaget af mutationer i MECP2-genet, som er stærkt udtrykt i hjernen og ser ud til at spille en vigtig rolle i at opretholde neuronernes sundhed. Genet er placeret på X-kromosomet, og syndromet rammer primært piger. For at udvikle behandlinger for Retts syndrom ønsker forskerne bedre at forstå MECP2 og dets funktioner i hjernen.

Forskere, inklusive Whitehead Institutes medstifter Rudolf Jaenisch, har studeret MECP2 i årtier, men mange grundlæggende fakta om genet forblev ukendte. MECP2-proteinet, som er kodet af genet, er involveret i genregulering; det binder til DNA og påvirker ekspressionsniveauerne af forskellige andre gener, hvilket betyder mængden af protein, de laver.

Forskerne havde dog ikke en komplet liste over de gener, som MECP2 påvirker, og der var ingen konsensus om, hvordan MECP2 påvirker disse gener.

Tidlige undersøgelser af MECP2 antydede, at det var en repressor, der reducerede ekspressionen af dets målgener, men forskning foretaget af Jaenisch og andre havde tidligere vist, at MECP2 også fungerer som en aktivator, hvilket øger ekspressionen af dets mål - og at det muligvis være en aktivator i første omgang. Også ukendt var MECP2s virkningsmekanisme, eller hvad proteinet præcist gør, der fører til ændringer i genekspression.

Begrænsninger i teknologien har forhindret forskere i at få klarhed over disse spørgsmål. Men Yanish, en postdoc i sit laboratorium, Yi Liu, og et tidligere medlem af Yanishs laboratorium, Anthony Flamier, nu adjunkt ved CHU Sainte-Justine forskningscenter ved Université de Montréal, har brugt banebrydende metoder til at besvare disse resterende spørgsmål om MECP2 og få ny indsigt i dets rolle i hjernens sundhed og sygdom.

Deres resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Neuron, og forskerne oprettede også et online-lager af deres MECP2-data, MECP2-NeuroAtlas-portal, som en ressource for andre forskere.

"Jeg tror, at dette papir fundamentalt vil ændre den måde, folk tænker på, hvordan MECP2 forårsager Rett syndrom. Vi har en helt ny forståelse af mekanismen, og dette kan give nye veje til at udvikle behandlinger for denne sygdom," siger Jaenisch, der er også professor i biologi ved Massachusetts Institute of Technology.

Avanceret forståelse af MECP2 i hjernen

Forskerne lavede først et detaljeret kort over, hvor MECP2 binder i gensekvensen af humane neuroner, enten i gener eller i regulatoriske områder af DNA i nærheden af dem. De brugte en tilgang kaldet CUT&Tag, som kan detektere protein-DNA-interaktioner med høj nøjagtighed.

Forskere har opdaget mere end fire tusinde gener forbundet med MECP2. De gentog deres kortlægning i neuroner med almindelige MECP2-mutationer forbundet med Rett syndrom for at bestemme, hvor MECP2 er udtømt i sygdomstilstanden.

Ved at vide, hvilke gener MECP2 binder til, gjorde det muligt for Liu og Flamier at begynde at skabe forbindelser mellem MECP2's mål og hjernens sundhed. De fandt ud af, at mange af dets mål er involveret i udviklingen og funktionen af neuronale axoner og synapser.

De sammenlignede også deres liste over MECP2-mål med Simons Foundation Autism Research Initiative (SFARI)-database over autisme-relaterede gener og fandt ud af, at 381 gener i den database var MECP2-mål.

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

Disse resultater kan hjælpe med at afklare mekanismerne bag autismesymptomer ved Rett syndrom og give et godt udgangspunkt for at undersøge MECP2's mulige rolle i autisme.

"Vi har skabt det første integrerede kort over epigenomet af MECP2 inden for sundhed og sygdom, og dette kort kan guide fremtidig forskning," siger Liu. "At vide, hvilke gener der er målrettet af MECP2, og hvilke gener der er direkte forstyrret i sygdommen, giver et stærkt grundlag for at forstå Retts syndrom og stille spørgsmål om genregulering i neuroner."

Forskerne undersøgte også, om MECP2 øger eller mindsker ekspressionen af dets målgener. I overensstemmelse med historien om, at MECP2 blev identificeret af nogle som en aktivator og af andre som en undertrykker, fandt Liu og Flamier eksempler, hvor MECP2 spiller begge roller.

Men selv om MECP2 oftere betragtes som en repressor, fandt Liu og Flamier ud af, at det primært er en aktivator -bekræfter de tidligere resultater af Jaenisch og Liu. Et nyt eksperiment viste, at MECP2 aktiverer mindst 80 % af sine mål, og et andet, at det aktiverer op til 88 % af sine mål.

Målgenkortet skabt af forskerne gav yderligere indsigt i MECP2's rolle som aktivator. De fandt ud af, at for gener, som MECP2 aktiverer, binder det typisk til en DNA-region opstrøms for genet kaldet transkriptionsstartstedet.

Det er her cellulært maskineri starter processen med at læse et gen til RNA, hvorefter RNA'et oversættes til et funktionelt protein, som er produktet af genekspression. Tilstedeværelsen af MECP2 på transkriptionsstartstedet, hvor genekspression begynder, stemmer overens med dets rolle som genaktivator.

Forskerne satte sig derefter for at bestemme, hvilken rolle MECP2 spiller i aktivering af gener. De undersøgte hvilke molekyler MECP2 binder til på dette sted, ud over DNA, og fandt ud af, at MECP2 interagerer direkte med et proteinkompleks kaldet RNA-polymerase II (RNA Pol II). RNA Pol II er en nøglecellemaskine, der transkriberer DNA til RNA. RNA Pol II kan ikke finde gener alene, så det kræver mange cofaktorer eller samvirkende proteiner for at hjælpe det med at udføre sit arbejde.

Forskerne antager, at MECP2 fungerer som en sådan cofaktor, der hjælper RNA Pol II med at starte transkription ved gener, hvor MECP2 binder. Strukturel analyse af MECP2 har identificeret dele af molekylet, der binder til RNA Pol II, og andre eksperimenter har bekræftet, at tab af MECP2 reducerer tilstedeværelsen af RNA Pol II ved relevante transkriptionsstartsteder samt ekspressionsniveauer af målgener.

Dette tyder på, at Retts syndrom kan være forårsaget af nedsat transskription af gener målrettet af MECP2 på grund af mutationer i MECP2, der forhindrer det i at binde til RNA Pol II eller binde til DNA. I overensstemmelse med denne idé er de mest almindelige MECP2-mutationer forbundet med sygdom trunkeringer: mutationer, hvor en del af proteinet mangler, hvilket kan ændre interaktionen mellem MECP2 og RNA Pol II.

Forskerne håber, at deres resultater ikke kun vil ændre vores forståelse af MECP2, men at en dybere og bredere forståelse af, hvordan MECP2 påvirker hjernens udvikling og funktion, kan føre til ny indsigt, der vil hjælpe mennesker med Rett syndrom og relaterede lidelser, bl.a. Autisme.

"Dette projekt er et glimrende eksempel på den kollaborative karakter af Jaenisch-laboratoriets arbejde," siger Flamier. "Rudolph og Yi havde et specifikt problem med Rett Syndrom, og jeg havde erfaring med CUT&Tag teknologi, der kunne løse dette problem. Gennem diskussion indså vi, at vi kunne kombinere vores indsats, og nu har vi et fantastisk lager af information om MECP2 og dens forbindelser til sygdommen."