Nya bevis främjar förståelsen av orsakerna till Retts syndrom

Retts syndrom är en sällsynt neuroutvecklingsstörning som det för närvarande inte finns något botemedel eller bra terapi mot. Det orsakar allvarliga fysiska och kognitiva symtom, av vilka många överlappar med autismspektrumstörningar.

Rett syndrom orsakas av mutationer i MECP2-genen, som är starkt uttryckt i hjärnan och verkar spela en viktig roll för att upprätthålla neuronernas hälsa. Genen sitter på X-kromosomen och syndromet drabbar främst flickor. För att utveckla behandlingar för Retts syndrom vill forskare bättre förstå MECP2 och dess funktioner i hjärnan.

Forskare, inklusive Whitehead Institutes medgrundare Rudolf Jaenisch, har studerat MECP2 i decennier, men många grundläggande fakta om genen förblev okända. MECP2-proteinet, som kodas av genen, är involverat i genreglering; det binder till DNA och påverkar uttrycksnivåerna för olika andra gener, vilket betyder mängden protein de gör.

Forskarna hade dock inte en fullständig lista över de gener som MECP2 påverkar, och det fanns ingen konsensus om hur MECP2 påverkar dessa gener.

Tidiga studier av MECP2 antydde att det var en repressor som minskade uttrycket av dess målgener, men forskning av Jaenisch och andra har tidigare visat att MECP2 också fungerar som en aktivator, vilket ökar uttrycket av dess mål - och att det kan vara en aktivator i första hand. Okänd var också MECP2:s verkningsmekanism, eller exakt vad proteinet gör som leder till förändringar i genuttryck.

Begränsningar inom tekniken har hindrat forskare från att få klarhet i dessa frågor. Men Yanish, en postdoc i hans labb, Yi Liu, och en före detta medlem av Yanishs labb, Anthony Flamier, nu biträdande professor vid forskningscentret CHU Sainte-Justine vid Université de Montréal, har använt banbrytande metoder för att besvara dessa återstående frågor om MECP2 och få nya insikter om dess roll i hjärnans hälsa och sjukdomar.

Deras resultat publicerades i tidskriften Neuron, och forskarna skapade också ett onlinearkiv med deras MECP2-data, MECP2-NeuroAtlas-portalen, som en resurs för andra forskare.

"Jag tror att den här uppsatsen i grunden kommer att förändra hur människor tänker på hur MECP2 orsakar Retts syndrom. Vi har en helt ny förståelse av mekanismen, och detta kan ge nya vägar för att utveckla behandlingar för denna sjukdom", säger Jaenisch, som är också professor i biologi vid Massachusetts Institute of Technology.

Avancerad förståelse av MECP2 i hjärnan

Forskarna skapade först en detaljerad karta över var MECP2 binder i gensekvensen för mänskliga neuroner, antingen inom gener eller i regulatoriska regioner av DNA nära dem. De använde ett tillvägagångssätt som heter CUT&Tag, som kan upptäcka protein-DNA-interaktioner med hög noggrannhet.

Forskare har upptäckt mer än fyra tusen gener associerade med MECP2. De upprepade sin kartläggning i neuroner med vanliga MECP2-mutationer associerade med Retts syndrom för att avgöra var MECP2 är utarmat i sjukdomstillståndet.

Att veta vilka gener MECP2 binder till gjorde att Liu och Flamier kunde börja skapa kopplingar mellan MECP2:s mål och hjärnans hälsa. De fann att många av dess mål är involverade i utvecklingen och funktionen av neuronala axoner och synapser.

De jämförde också sin lista över MECP2-mål med Simons Foundation Autism Research Initiative (SFARI) databas över autismrelaterade gener och fann att 381 gener i databasen var MECP2-mål.

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

Dessa fynd kan hjälpa till att klargöra mekanismerna bakom autismsymtom vid Retts syndrom och ge en bra utgångspunkt för att undersöka den möjliga rollen av MECP2 i autism.

"Vi har skapat den första integrerade kartan över epigenomet av MECP2 inom hälsa och sjukdom, och den här kartan kan vägleda framtida forskning", säger Liu. "Att veta vilka gener som riktas mot MECP2, och vilka gener som är direkt störda i sjukdomen, ger en stark grund för att förstå Retts syndrom och ställa frågor om genreglering i neuroner."

Forskarna undersökte också om MECP2 ökar eller minskar uttrycket av dess målgener. I överensstämmelse med historien om MECP2 som identifierades av vissa som en aktivator och av andra som en repressor, hittade Liu och Flamier exempel där MECP2 spelar båda rollerna.

Men även om MECP2 oftare betraktas som en repressor, fann Liu och Flamier att det primärt är en aktivator—vilket bekräftar de tidigare fynden av Jaenisch och Liu. Ett nytt experiment visade att MECP2 aktiverar minst 80 % av sina mål, och ett annat att det aktiverar upp till 88 % av sina mål.

Målgenkartan skapad av forskarna gav ytterligare insikt om MECP2:s roll som aktivator. De fann att för gener som MECP2 aktiverar binder den vanligtvis till en DNA-region uppströms genen som kallas transkriptionsstartplatsen.

Det är här cellulärt maskineri initierar processen att läsa in en gen till RNA, varefter RNA:t översätts till ett funktionellt protein, som är produkten av genuttryck. Närvaron av MECP2 vid transkriptionsstartstället där genuttrycket börjar stämmer överens med dess roll som genaktivator.

Forskarna började sedan fastställa vilken roll MECP2 spelar för att aktivera gener. De studerade vilka molekyler MECP2 binder till på denna plats, förutom DNA, och fann att MECP2 direkt interagerar med ett proteinkomplex som kallas RNA-polymeras II (RNA Pol II). RNA Pol II är en nyckelcellulär maskin som transkriberar DNA till RNA. RNA Pol II kan inte hitta gener på egen hand, så det kräver många kofaktorer, eller samverkande proteiner, för att hjälpa den att göra sitt jobb.

Forskarna antar att MECP2 fungerar som en sådan kofaktor och hjälper RNA Pol II att initiera transkription vid gener där MECP2 binder. Strukturell analys av MECP2 har identifierat delar av molekylen som binder till RNA Pol II, och andra experiment har bekräftat att förlust av MECP2 minskar närvaron av RNA Pol II vid relevanta transkriptionsstartställen såväl som uttrycksnivåer av målgener.

Detta tyder på att Retts syndrom kan orsakas av minskad transkription av gener som riktas mot MECP2 på grund av mutationer i MECP2 som hindrar det från att binda till RNA Pol II eller binda till DNA. I enlighet med denna idé är de vanligaste MECP2-mutationerna förknippade med sjukdom trunkationer: mutationer där en del av proteinet saknas, vilket kan förändra interaktionen mellan MECP2 och RNA Pol II.

Forskarna hoppas att deras resultat inte bara kommer att förändra vår förståelse av MECP2, utan att en djupare och bredare förståelse av hur MECP2 påverkar hjärnans utveckling och funktion kan leda till nya insikter som kommer att hjälpa personer med Retts syndrom och relaterade sjukdomar, inklusive autism.

"Detta projekt är ett utmärkt exempel på samverkanskaraktären i Jaenisch-labbets arbete", säger Flamier. "Rudolph och Yi hade ett specifikt problem med Retts syndrom, och jag hade erfarenhet av CUT&Tag-teknik som kunde lösa detta problem. Genom diskussioner insåg vi att vi kunde kombinera våra ansträngningar och nu har vi ett fantastiskt arkiv med information om MECP2 och dess kopplingar till sjukdomen."