Retov sindrom je redak neurorazvojni poremećaj za koji trenutno ne postoji lek ili dobra terapija. Izaziva teške fizičke i kognitivne simptome, uključujući mnoge koji se preklapaju sa poremećajem autističnog spektra.
Retov sindrom je uzrokovan mutacijama gena MECP2, koji je visoko izražen u mozgu i čini se da igra važnu ulogu u održavanju zdravih neurona. Gen se nalazi na X hromozomu i sindrom uglavnom pogađa devojčice. Da bi razvili terapije za Rettov sindrom, istraživači žele da razumeju više o MECP2 i njegovim funkcijama u mozgu.
Istraživači, uključujući osnivača Instituta Vajthed Rudolfa Dženiša, decenijama su proučavali MECP2, a ipak su mnoge osnovne činjenice o genu ostale nepoznate. MECP2 protein kodiran genom je uključen u regulaciju gena; vezuje se za DNK i utiče na nivo ekspresije raznih drugih gena — što znači količinu proteina proizvedenog iz njih.
Međutim, istraživači nisu imali potpunu listu gena na koje MECP2 utiče, niti je postojao konsenzus o efektu koji MECP2 ima na te gene.
Rano istraživanje MECP2 sugerisalo je da je to represor, smanjujući ekspresiju njegovih ciljnih gena, ali istraživanje Jaeniša i drugih je ranije otkrilo da MECP2 takođe deluje kao aktivator, povećavajući ekspresiju svojih meta – i da bi prvenstveno mogao biti aktivator. Takođe nije poznat mehanizam delovanja MECP2, ili šta protein zapravo radi što dovodi do promena u ekspresiji gena.
Ograničenja u tehnologiji sprečila su istraživače da razjasne ova pitanja. Međutim, Jaenisch, postdoktor u njegovoj laboratoriji Ii Liu, i student Jaenisch laboratorije Anthoni Flamier, sada docent u Istraživačkom centru CHU Sainte-Justine na Univerzitetu u Montrealu, koristili su najsavremenije tehnike da odgovore na ova otvorena pitanja o MECP2 i steknu nove uvide u njegovu ulogu u zdravlju i bolesti mozga.
Njihovi nalazi su objavljeni u časopisu Neuron 1. maja, a istraživači su takođe kreirali onlajn repozitorijum svojih MECP2 podataka, portal MECP2-NeuroAtlas, kao resurs za druge istraživače.
„Mislim da će ovaj rad drastično promeniti način na koji ljudi razmišljaju o tome da MECP2 izaziva Retov sindrom. Imamo potpuno novo razumevanje mehanizma, a to bi moglo da pruži nove načine pristupa razvoju tretmana za ovaj poremećaj“, kaže Jaeniš, koji je takođe profesor biologije na Tehnološkom institutu u Masačusetsu.
Prvo, istraživači su napravili sveobuhvatnu mapu gde se u sekvenci ljudskih neuronskih gena MECP2 vezuje, bilo unutar gena ili u regulatornim regionima DNK u njihovoj blizini. Koristili su pristup pod nazivom CUT&Tag koji može da identifikuje interakcije proteina sa DNK sa visokom rezolucijom.
Istraživači su pronašli više od četiri hiljade gena vezanih za MECP2. Istraživači su ponovili svoje mapiranje u neuronima sa uobičajenim Rett-vezanim MECP2 mutacijama, kako bi utvrdili gde je MECP2 iscrpljen u bolesnom stanju.
Poznavanje koje gene MECP2 vezuje omogućilo je Liuu i Flamieru da počnu da crtaju veze između MECP2 meta i zdravlja mozga. Otkrili su da su mnoge njegove mete uključene u razvoj i funkcionisanje neuronskih aksona i sinapsi.
Takođe su uporedili svoju listu meta MECP2 sa bazom podataka o genima povezanim sa autizmom (SFARI) Simons fondacije i otkrili da je 381 gen u toj bazi podataka meta MECP2.
Ovi nalazi mogu pomoći da se suzi mehanizmi koji leže u osnovi simptoma sličnih autizmu kod Retovog sindroma, i oni pružaju dobru polaznu tačku za istraživanje moguće uloge MECP2 u autizmu.
„Ustanovili smo prvu integrisanu mapu epigenoma MECP2 u zdravstvenom i bolesnom stanju, a ova mapa može voditi buduća istraživanja“, kaže Liu. „Znajući koji geni MECP2 ciljaju i koji su geni direktno disregulisani u bolesti, pruža snažnu osnovu za razumevanje Retovog sindroma i postavljanje pitanja o regulaciji neuronskih gena.“
Istraživači su takođe ispitali da li izgleda da MECP2 povećava ili smanjuje ekspresiju svojih ciljnih gena. U skladu sa istorijom MECP2 koji su neki identifikovali kao aktivator, a drugi kao represor, Liu i Flamier su pronašli primere da MECP2 igra obe uloge.
Međutim, dok se MECP2 češće smatra represorom, Liu i Flamier su otkrili da je to uglavnom aktivator – potvrđujući ranije nalaze Jaeniša i Liua. Jedan novi eksperiment je pokazao da MECP2 aktivira najmanje 80% svojih ciljeva, a drugi je pokazao da aktivira čak 88% svojih meta.
Mapa ciljnih gena istraživača pružila je dalji uvid u ulogu aktivatora MECP2. Otkrili su da za gene koje MECP2 aktivira, on obično vezuje region DNK uzvodno od gena koji se zove mesto početka transkripcije.
Ovo mesto je mesto gde ćelijska mašinerija inicira proces transkripcije gena ili čitanja u RNK, nakon čega se RNK prevodi u funkcionalni protein koji je proizvod ekspresije gena. Prisustvo MECP2 na mestu početka transkripcije, gde počinje ekspresija gena, u skladu je sa njegovom ulogom aktivatora gena.
Zatim su istraživači krenuli da utvrde koja je uloga MECP2 u aktivaciji gena. Istraživali su za koje se molekule MECP2 vezuje na ovom mestu, pored DNK, i otkrili da MECP2 direktno reaguje sa proteinskim kompleksom koji se zove RNK polimeraza II (RNA Pol II). RNA Pol II je ključna ćelijska mašina koja transkribuje DNK u RNK. RNA Pol II ne može sama da locira gene, tako da joj je potrebno mnoštvo kofaktora ili kolaboracionih proteina koji joj pomažu da obavlja svoj posao.
Istraživači predlažu da MECP2 služi kao jedan takav kofaktor, pomažući RNK Pol II da započne transkripciju na genima gde se MECP2 vezuje. Strukturna analiza MECP2 identifikovala je delove molekula koji vezuju RNK Pol II, a drugi eksperimenti su potvrdili da gubitak MECP2 smanjuje prisustvo RNK Pol II na relevantnim mestima početka transkripcije, kao i nivoe ekspresije ciljnih gena.
Ovo sugeriše da Rettov sindrom može biti uzrokovan smanjenjem transkripcije gena na koje cilja MECP2, zbog MECP2 mutacija koje ga sprečavaju da veže RNK Pol II ili vezuje DNK. U skladu sa ovom idejom, većina uobičajenih MECP2 mutacija povezanih sa bolešću su skraćivanja: mutacije u kojima nedostaje deo proteina, što može da promeni interakciju između MECP2 i RNK Pol II.
Istraživači se nadaju da ne samo da će njihovi nalazi preoblikovati naše razumevanje MECP2, već da dublje i šire razumevanje kako MECP2 utiče na razvoj i funkciju mozga može dovesti do novih uvida koji mogu pomoći ljudima sa Retovim sindromom i srodnim poremećajima, uključujući autizam.
„Ovaj projekat je odličan primer kolaborativne prirode Jaenisch laboratorije“, kaže Flamier. „Rudolf i Ji su imali specifičan problem za rešavanje u vezi sa Retovim sindromom, a ja sam bio upoznat sa tehnologijom, CUT&Tag, koja bi mogla da reši problem. Kroz diskusiju smo shvatili da možemo da spojimo naše napore i sada imamo odlično skladište informacija o MECP2 i njegovim vezama sa bolešću.“
