Нові дані покращують розуміння причин синдрому Ретта

Синдром Ретта — це рідкісний розлад розвитку нервової системи, від якого наразі не існує ліків або ефективної терапії. Це викликає серйозні фізичні та когнітивні симптоми, багато з яких збігаються з розладами аутистичного спектру.

Синдром Ретта спричинений мутаціями в гені MECP2, який сильно експресується в мозку та, здається, відіграє важливу роль у підтримці здоров’я нейронів. Ген знаходиться в Х-хромосомі, і синдром вражає в першу чергу дівчаток. Щоб розробити лікування синдрому Ретта, дослідники хочуть краще зрозуміти MECP2 та його функції в мозку.

Дослідники, зокрема співзасновник Інституту Уайтхеда Рудольф Єніш, вивчали MECP2 протягом десятиліть, але багато основних фактів про ген залишалися невідомими. Білок MECP2, який кодується геном, бере участь у генній регуляції; він зв’язується з ДНК і впливає на рівні експресії різних інших генів, тобто на кількість білка, який вони виробляють.

Однак дослідники не мали повного списку генів, на які впливає MECP2, і не було єдиної думки щодо того, як MECP2 впливає на ці гени.

Ранні дослідження MECP2 показали, що він був репресором, який зменшував експресію своїх цільових генів, але дослідження Дженіша та інших раніше показали, що MECP2 також діє як активатор, посилюючи експресію своїх цільових генів — і що він може бути в першу чергу активатором. Також невідомий механізм дії MECP2 або те, що саме робить білок, що призводить до змін у експресії генів.

Обмеження технологій завадили дослідникам отримати ясність у цих питаннях. Але Яніш, постдоктор у його лабораторії, І Лю, і колишній співробітник лабораторії Яніша, Ентоні Флам’єр, нині доцент дослідницького центру CHU Sainte-Justine в Університеті Монреаля, використали передові методи, щоб відповісти на ці запитання. Залишилися запитання про MECP2 і дізнайтеся про його роль у здоров’ї та хворобах мозку.

Їх результати були опубліковані в журналі Neuron, і дослідники також створили онлайн-сховище своїх даних MECP2, Портал MECP2-NeuroAtlas як ресурс для інших дослідників.

«Я думаю, що ця стаття докорінно змінить уявлення людей про те, як MECP2 викликає синдром Ретта. У нас є абсолютно нове розуміння механізму, і це може дати нові шляхи для розробки методів лікування цієї хвороби», — каже Єніш, який також є професором біології в Массачусетському технологічному інституті.

Поглиблене розуміння MECP2 у мозку

Дослідники спочатку створили детальну карту, де MECP2 зв’язується в генній послідовності нейронів людини, або в генах, або в регуляторних областях ДНК поблизу них. Вони використали підхід під назвою CUT&Tag, який може з високою точністю виявляти взаємодії білків і ДНК.

Дослідники виявили понад чотири тисячі генів, пов’язаних з MECP2. Вони повторили своє картування в нейронах із поширеними мутаціями MECP2, пов’язаними з синдромом Ретта, щоб визначити, де MECP2 виснажується в стані захворювання.

Знання того, з якими генами зв’язується MECP2, дозволило Лю та Флам’є почати встановлювати зв’язки між цілями MECP2 і здоров’ям мозку. Вони виявили, що багато його мішеней беруть участь у розвитку та функціонуванні аксонів і синапсів нейронів.

Вони також порівняли свій список цілей MECP2 з базою даних Ініціативи дослідження аутизму Фонду Саймонса (SFARI) генів, пов’язаних з аутизмом, і виявили, що 381 ген у цій базі даних є цілями MECP2.

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

Ці висновки можуть допомогти прояснити механізми, що лежать в основі симптомів аутизму при синдромі Ретта, і стати хорошою відправною точкою для дослідження можливої ролі MECP2 в аутизмі.

«Ми створили першу інтегровану карту епігенома MECP2 у здоров’ї та хворобах, і ця карта може керувати майбутніми дослідженнями», — каже Лю. «Знання того, на які гени впливає MECP2 і які гени безпосередньо порушуються під час захворювання, забезпечує міцну основу для розуміння синдрому Ретта та постановки питань про регуляцію генів у нейронах».

Дослідники також перевірили, чи MECP2 збільшує чи зменшує експресію своїх цільових генів. Згідно з історією MECP2, яку одні ідентифікували як активатор, а інші як репресор, Лю та Фламієр знайшли приклади, коли MECP2 відіграє обидві ролі.

Однак, незважаючи на те, що MECP2 частіше вважають репресором, Лю та Фламієр виявили, що це в основному активатор, що підтверджує попередні висновки Дженіша та Лю. Один новий експеримент показав, що MECP2 активує принаймні 80% своїх цілей, а інший – що він активує до 88% своїх цілей.

Карта цільового гена, створена дослідниками, надала додаткове розуміння ролі MECP2 як активатора. Вони виявили, що гени, які активує MECP2, зазвичай зв’язуються з ділянкою ДНК перед геном, яка називається сайтом початку транскрипції.

Тут клітинний механізм ініціює процес зчитування гена в РНК, після чого РНК транслюється у функціональний білок, який є продуктом експресії гена. Присутність MECP2 у місці початку транскрипції, де починається експресія гена, узгоджується з його роллю як активатора гена.

Потім дослідники вирішили визначити, яку роль відіграє MECP2 в активації генів. Вони вивчили, з якими молекулами MECP2 зв’язується в цьому місці, окрім ДНК, і виявили, що MECP2 безпосередньо взаємодіє з білковим комплексом під назвою РНК-полімераза II (RNA Pol II). РНК Pol II є ключовим клітинним механізмом, який транскрибує ДНК у РНК. РНК Pol II не може самостійно знаходити гени, тому їй потрібно багато кофакторів або взаємодіючих білків, щоб допомогти їй виконувати свою роботу.

Дослідники припускають, що MECP2 служить одним із таких кофакторів, допомагаючи РНК Pol II ініціювати транскрипцію в генах, де зв’язується MECP2. Структурний аналіз MECP2 виявив частини молекули, які зв’язуються з РНК Pol II, а інші експерименти підтвердили, що втрата MECP2 зменшує присутність РНК Pol II у відповідних сайтах початку транскрипції, а також рівні експресії цільових генів.

Це свідчить про те, що синдром Ретта може бути спричинений зниженням транскрипції генів, на які націлений MECP2, через мутації в MECP2, які перешкоджають його зв’язуванню з РНК Pol II або зв’язуванню з ДНК. Згідно з цією ідеєю, найпоширенішими мутаціями MECP2, пов’язаними із захворюванням, є скорочення: мутації, у яких відсутня частина білка, що може змінити взаємодію між MECP2 і РНК Pol II.

Дослідники сподіваються, що їхні висновки не лише змінять наше розуміння MECP2, але й що глибше та ширше розуміння того, як MECP2 впливає на розвиток і функціонування мозку, може призвести до нових ідей, які допоможуть людям із синдромом Ретта та пов’язаними з ним розладами, зокрема аутизм.

«Цей проект є чудовим прикладом спільного характеру роботи лабораторії Jeenisch», — каже Фламієр. «У Рудольфа та Ї була конкретна проблема з синдромом Ретта, і я мав досвід роботи з технологією CUT&Tag, яка могла вирішити цю проблему. Під час обговорення ми зрозуміли, що можемо об’єднати наші зусилля, і тепер у нас є чудове сховище інформації про MECP2 і його зв’язок із захворюванням».