Nuove prove migliorano la comprensione delle cause della sindrome di Rett

La sindrome di Rett è un raro disturbo dello sviluppo neurologico per il quale attualmente non esiste una cura o una buona terapia. Provoca gravi sintomi fisici e cognitivi, molti dei quali si sovrappongono ai disturbi dello spettro autistico.

La

sindrome di Rett è causata da mutazioni nel gene MECP2, che è altamente espresso nel cervello e sembra svolgere un ruolo importante nel mantenimento della salute dei neuroni. Il gene si trova sul cromosoma X e la sindrome colpisce principalmente le ragazze. Per sviluppare trattamenti per la sindrome di Rett, i ricercatori vogliono comprendere meglio il MECP2 e le sue funzioni nel cervello.

I ricercatori, tra cui il cofondatore del Whitehead Institute Rudolf Jaenisch, studiano MECP2 da decenni, ma molti fatti fondamentali sul gene sono rimasti sconosciuti. La proteina MECP2, codificata dal gene, è coinvolta nella regolazione genetica; si lega al DNA e influenza i livelli di espressione di vari altri geni, ovvero la quantità di proteine che producono.

Tuttavia, i ricercatori non disponevano di un elenco completo dei geni colpiti da MECP2 e non c'era consenso su come MECP2 influenza questi geni.

I primi studi su MECP2 suggerivano che fosse un repressore, riducendo l'espressione dei suoi geni bersaglio, ma la ricerca di Jaenisch e altri aveva precedentemente dimostrato che MECP2 agisce anche come attivatore, aumentando l'espressione dei suoi geni bersaglio - e che potrebbe essere innanzitutto un attivatore. Inoltre non era noto il meccanismo d'azione di MECP2, o cosa fa esattamente la proteina che porta a cambiamenti nell'espressione genetica.

Le limitazioni della tecnologia hanno impedito ai ricercatori di ottenere chiarezza su queste domande. Ma Yanish, un postdoc nel suo laboratorio, Yi Liu, e un ex membro del laboratorio di Yanish, Anthony Flamier, ora assistente professore presso il centro di ricerca CHU Sainte-Justine dell'Università di Montréal, hanno utilizzato metodi all'avanguardia per rispondere a queste domande. Domande rimanenti sul MECP2 e ottenere nuove informazioni sul suo ruolo nella salute e nelle malattie del cervello.

I loro risultati sono stati pubblicati nel giornale Neuron e i ricercatori hanno anche creato un archivio online dei loro dati MECP2, il Portale MECP2-NeuroAtlas, come risorsa per altri ricercatori.

"Penso che questo articolo cambierà radicalmente il modo in cui le persone pensano a come MECP2 causi la sindrome di Rett. Abbiamo una comprensione completamente nuova del meccanismo e questo potrebbe fornire nuove strade per lo sviluppo di trattamenti per questa malattia", afferma Jaenisch, che è anche professore di biologia presso il Massachusetts Institute of Technology.

Comprensione avanzata del MECP2 nel cervello

I ricercatori hanno innanzitutto creato una mappa dettagliata dei punti in cui MECP2 si lega nella sequenza genetica dei neuroni umani, all'interno dei geni o nelle regioni regolatrici del DNA vicine ad essi. Hanno utilizzato un approccio chiamato CUT&Tag, in grado di rilevare le interazioni proteina-DNA con elevata precisione.

I ricercatori hanno scoperto più di quattromila geni associati a MECP2. Hanno ripetuto la mappatura nei neuroni con mutazioni comuni di MECP2 associate alla sindrome di Rett per determinare dove il MECP2 è impoverito nello stato patologico.

Sapere a quali geni MECP2 si lega ha permesso a Liu e Flamier di iniziare a stabilire connessioni tra gli obiettivi di MECP2 e la salute del cervello. Hanno scoperto che molti dei suoi bersagli sono coinvolti nello sviluppo e nel funzionamento degli assoni e delle sinapsi neuronali.

Hanno anche confrontato il loro elenco di target MECP2 con il database dei geni correlati all'autismo della Simons Foundation Autism Research Initiative (SFARI) e hanno scoperto che 381 geni in quel database erano target MECP2.

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

Questi risultati possono aiutare a chiarire i meccanismi alla base dei sintomi dell'autismo nella sindrome di Rett e fornire un buon punto di partenza per indagare sul possibile ruolo di MECP2 nell'autismo.

"Abbiamo creato la prima mappa integrata dell'epigenoma di MECP2 nella salute e nella malattia, e questa mappa può guidare la ricerca futura", afferma Liu. "Sapere quali geni sono presi di mira da MECP2 e quali geni vengono direttamente alterati nella malattia, fornisce una solida base per comprendere la sindrome di Rett e porre domande sulla regolazione genetica nei neuroni."

I ricercatori hanno anche esaminato se MECP2 aumenta o diminuisce l'espressione dei suoi geni bersaglio. Coerentemente con la storia del MECP2 identificato da alcuni come un attivatore e da altri come un repressore, Liu e Flamier hanno trovato esempi in cui MECP2 svolge entrambi i ruoli.

Tuttavia, sebbene MECP2 sia più spesso considerato un repressore, Liu e Flamier hanno scoperto che è principalmente un attivatore, confermando i risultati precedenti di Jaenisch e Liu. Un nuovo esperimento ha dimostrato che MECP2 attiva almeno l'80% dei suoi bersagli e un altro che ne attiva fino all'88%.

La mappa del gene bersaglio creata dai ricercatori ha fornito ulteriori informazioni sul ruolo di MECP2 come attivatore. Hanno scoperto che i geni attivati da MECP2 si legano tipicamente a una regione del DNA a monte del gene chiamata sito di inizio della trascrizione.

È qui che il macchinario cellulare avvia il processo di lettura di un gene nell'RNA, dopo di che l'RNA viene tradotto in una proteina funzionale, che è il prodotto dell'espressione genetica. La presenza di MECP2 nel sito di inizio della trascrizione dove inizia l'espressione genica è coerente con il suo ruolo di attivatore genetico.

I ricercatori hanno quindi deciso di determinare quale ruolo svolge MECP2 nell'attivazione dei geni. Hanno studiato a quali molecole MECP2 si lega in questo sito, oltre al DNA, e hanno scoperto che MECP2 interagisce direttamente con un complesso proteico chiamato RNA polimerasi II (RNA Pol II). RNA Pol II è una macchina cellulare chiave che trascrive il DNA in RNA. RNA Pol II non è in grado di trovare i geni da solo, quindi richiede molti cofattori, o proteine che cooperano, per svolgere il suo lavoro.

I ricercatori ipotizzano che MECP2 funga da uno di questi cofattori, aiutando l'RNA Pol II ad avviare la trascrizione nei geni dove si lega MECP2. L'analisi strutturale di MECP2 ha identificato parti della molecola che si legano a RNA Pol II e altri esperimenti hanno confermato che la perdita di MECP2 riduce la presenza di RNA Pol II nei siti di inizio della trascrizione rilevanti nonché i livelli di espressione dei geni bersaglio.

Ciò suggerisce che la sindrome di Rett potrebbe essere causata da una ridotta trascrizione dei geni presi di mira da MECP2 a causa di mutazioni in MECP2 che gli impediscono di legarsi all'RNA Pol II o di legarsi al DNA. Coerentemente con questa idea, le mutazioni MECP2 più comuni associate alla malattia sono troncamenti: mutazioni in cui manca parte della proteina, che possono alterare l'interazione tra MECP2 e RNA Pol II.

I ricercatori sperano che le loro scoperte non solo cambino la nostra comprensione del MECP2, ma che una comprensione più profonda e più ampia di come il MECP2 influenza lo sviluppo e il funzionamento del cervello possa portare a nuove conoscenze che aiuteranno le persone con la sindrome di Rett e i disturbi correlati, tra cui autismo.

"Questo progetto è un eccellente esempio della natura collaborativa del lavoro del laboratorio di Jaenisch", afferma Flamier. "Rudolph e Yi avevano un problema specifico con la sindrome di Rett e io avevo esperienza con la tecnologia CUT&Tag che poteva risolvere questo problema. Attraverso la discussione, ci siamo resi conto che potevamo unire i nostri sforzi e ora disponiamo di un grande archivio di informazioni su MECP2 e i suoi collegamenti con la malattia."