Nieuw bewijsmateriaal bevordert het begrip van de oorzaken van het Rett-syndroom

Het Rett-syndroom is een zeldzame neurologische ontwikkelingsstoornis waarvoor momenteel geen genezing of goede therapie bestaat. Het veroorzaakt ernstige fysieke en cognitieve symptomen, waarvan er vele overlappen met autismespectrumstoornissen.

Rett-syndroom wordt veroorzaakt door mutaties in het MECP2-gen, dat sterk tot expressie komt in de hersenen en een belangrijke rol lijkt te spelen bij het in stand houden van de gezondheid van neuronen. Het gen bevindt zich op het X-chromosoom en het syndroom treft vooral meisjes. Om behandelingen voor het Rett-syndroom te ontwikkelen, willen onderzoekers MECP2 en de functies ervan in de hersenen beter begrijpen.

Onderzoekers, waaronder Rudolf Jaenisch, medeoprichter van het Whitehead Institute, bestuderen MECP2 al tientallen jaren, maar toch bleven veel basisfeiten over het gen onbekend. Het MECP2-eiwit, dat door het gen wordt gecodeerd, is betrokken bij genregulatie; het bindt zich aan DNA en beïnvloedt de expressieniveaus van verschillende andere genen, dat wil zeggen de hoeveelheid eiwit die ze maken.

Onderzoekers beschikten echter niet over een volledige lijst van de genen die MECP2 beïnvloeden, en er bestond geen consensus over de manier waarop MECP2 deze genen beïnvloedt.

Eerste onderzoeken naar MECP2 suggereerden dat het een repressor was, die de expressie van zijn doelwitgenen verminderde, maar onderzoek door Jaenisch en anderen had eerder aangetoond dat MECP2 ook als activator werkt, waardoor de expressie van zijn doelwitgenen wordt verhoogd – en dat dit mogelijk ook het geval is. Wees in de eerste plaats een activator. Ook onbekend was het werkingsmechanisme van MECP2, of wat het eiwit precies doet dat leidt tot veranderingen in genexpressie.

Beperkingen in de technologie hebben onderzoekers ervan weerhouden duidelijkheid te krijgen over deze vragen. Maar Yanish, een postdoc in zijn laboratorium, Yi Liu, en een voormalig lid van het laboratorium van Yanish, Anthony Flamier, nu assistent-professor aan het CHU Sainte-Justine onderzoekscentrum van de Université de Montréal, hebben geavanceerde methoden gebruikt om deze vragen te beantwoorden. Resterende vragen over MECP2 en krijg nieuwe inzichten in de rol ervan in de gezondheid en ziekte van de hersenen.

Hun resultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift Neuron, en de onderzoekers creëerden ook een online opslagplaats van hun MECP2-gegevens, de MECP2-NeuroAtlas portal, als hulpmiddel voor andere onderzoekers.

"Ik denk dat dit artikel de manier waarop mensen denken over hoe MECP2 het Rett-syndroom veroorzaakt fundamenteel zal veranderen. We hebben een compleet nieuw begrip van het mechanisme, en dit kan nieuwe wegen bieden voor het ontwikkelen van behandelingen voor deze ziekte", zegt Jaenisch, die is tevens hoogleraar biologie aan het Massachusetts Institute of Technology.

Geavanceerd begrip van MECP2 in de hersenen

De onderzoekers creëerden eerst een gedetailleerde kaart van waar MECP2 bindt in de gensequentie van menselijke neuronen, hetzij binnen genen, hetzij in regulerende DNA-gebieden in de buurt ervan. Ze gebruikten een aanpak genaamd CUT&Tag, die eiwit-DNA-interacties met hoge nauwkeurigheid kan detecteren.

Onderzoekers hebben meer dan vierduizend genen ontdekt die verband houden met MECP2. Ze herhaalden hun mapping in neuronen met veel voorkomende MECP2-mutaties geassocieerd met het Rett-syndroom om te bepalen waar MECP2 is uitgeput in de ziektetoestand.

Door te weten aan welke genen MECP2 zich bindt, konden Liu en Flamier verbanden leggen tussen de doelwitten van MECP2 en de gezondheid van de hersenen. Ze ontdekten dat veel van de doelwitten betrokken zijn bij de ontwikkeling en functie van neuronale axonen en synapsen.

Ze vergeleken hun lijst met MECP2-doelen ook met de database van het Simons Foundation Autism Research Initiative (SFARI) met aan autisme gerelateerde genen en ontdekten dat 381 genen in die database MECP2-doelen waren.

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

Deze bevindingen kunnen helpen de mechanismen te verduidelijken die ten grondslag liggen aan autismesymptomen bij het Rett-syndroom en een goed startpunt bieden voor het onderzoeken van de mogelijke rol van MECP2 bij autisme.

"We hebben de eerste geïntegreerde kaart gemaakt van het epigenoom van MECP2 op het gebied van gezondheid en ziekte, en deze kaart kan als leidraad dienen voor toekomstig onderzoek", zegt Liu. "Weten welke genen het doelwit zijn van MECP2, en welke genen direct verstoord zijn door de ziekte, biedt een sterke basis voor het begrijpen van het Rett-syndroom en het stellen van vragen over genregulatie in neuronen."

De onderzoekers onderzochten ook of MECP2 de expressie van zijn doelgenen verhoogt of verlaagt. In overeenstemming met de geschiedenis waarin MECP2 door sommigen werd geïdentificeerd als een activator en door anderen als een repressor, vonden Liu en Flamier voorbeelden waarin MECP2 beide rollen speelt.

Hoewel MECP2 vaker als een repressor wordt beschouwd, ontdekten Liu en Flamier dat het vooral een activator is, wat de eerdere bevindingen van Jaenisch en Liu bevestigt. Eén nieuw experiment toonde aan dat MECP2 minstens 80% van zijn doelen activeert, en een ander experiment dat het tot 88% van zijn doelen activeert.

De doelgenenkaart die door de onderzoekers werd gemaakt, gaf aanvullend inzicht in de rol van MECP2 als activator. Ze ontdekten dat genen die door MECP2 worden geactiveerd, doorgaans binden aan een DNA-gebied stroomopwaarts van het gen, de transcriptiestartplaats.

Dit is waar cellulaire machines het proces initiëren van het lezen van een gen in RNA, waarna het RNA wordt vertaald in een functioneel eiwit, dat het product is van genexpressie. De aanwezigheid van MECP2 op de transcriptiestartplaats waar genexpressie begint, komt overeen met zijn rol als genactivator.

De onderzoekers gingen vervolgens bepalen welke rol MECP2 speelt bij het activeren van genen. Ze bestudeerden aan welke moleculen MECP2 zich op deze plaats bindt, naast DNA, en ontdekten dat MECP2 rechtstreeks interageert met een eiwitcomplex genaamd RNA-polymerase II (RNA Pol II). RNA Pol II is een belangrijke cellulaire machine die DNA in RNA transcribeert. RNA Pol II kan zelf geen genen vinden, dus heeft het veel cofactoren, of samenwerkende eiwitten, nodig om zijn werk te kunnen doen.

De onderzoekers veronderstellen dat MECP2 als zo'n cofactor fungeert en RNA Pol II helpt transcriptie te initiëren bij genen waar MECP2 bindt. Structurele analyse van MECP2 heeft delen van het molecuul geïdentificeerd die binden aan RNA Pol II, en andere experimenten hebben bevestigd dat verlies van MECP2 de aanwezigheid van RNA Pol II op relevante transcriptiestartplaatsen vermindert, evenals de expressieniveaus van doelgenen.

>

Dit suggereert dat het Rett-syndroom veroorzaakt kan worden door een verminderde transcriptie van genen waarop MECP2 zich richt, als gevolg van mutaties in MECP2 die voorkomen dat het zich bindt aan RNA Pol II of aan DNA bindt. In overeenstemming met dit idee zijn de meest voorkomende MECP2-mutaties die verband houden met ziekten truncaties: mutaties waarbij een deel van het eiwit ontbreekt, wat de interactie tussen MECP2 en RNA Pol II kan veranderen.

De onderzoekers hopen dat hun bevindingen niet alleen ons begrip van MECP2 zullen veranderen, maar dat een dieper en breder begrip van hoe MECP2 de ontwikkeling en functie van de hersenen beïnvloedt, kan leiden tot nieuwe inzichten die mensen met het Rett-syndroom en aanverwante aandoeningen zullen helpen, waaronder autisme.

“Dit project is een uitstekend voorbeeld van het collaboratieve karakter van het werk van het Jaenisch lab”, zegt Flamier. "Rudolph en Yi hadden een specifiek probleem met het Rett-syndroom, en ik had ervaring met CUT&Tag-technologie die dit probleem zou kunnen oplossen. Door discussie realiseerden we ons dat we onze inspanningen konden combineren, en nu hebben we een geweldige opslagplaats met informatie over MECP2 en de verbanden met de ziekte."