Bukti baru meningkatkan pemahaman tentang penyebab sindrom Rett

Sindrom Rett adalah kelainan perkembangan saraf langka yang saat ini belum ada obatnya atau terapi yang baik. Penyakit ini menyebabkan gejala fisik dan kognitif yang parah, banyak di antaranya tumpang tindih dengan gangguan spektrum autisme.

Sindrom Rett disebabkan oleh mutasi pada gen MECP2, yang sangat terekspresi di otak dan tampaknya berperan penting dalam menjaga kesehatan neuron. Gen tersebut terletak pada kromosom X, dan sindrom ini terutama menyerang anak perempuan. Untuk mengembangkan pengobatan sindrom Rett, peneliti ingin lebih memahami MECP2 dan fungsinya di otak.

Para peneliti, termasuk salah satu pendiri Whitehead Institute Rudolf Jaenisch, telah mempelajari MECP2 selama beberapa dekade, namun banyak fakta dasar tentang gen tersebut masih belum diketahui. Protein MECP2, yang dikodekan oleh gen, terlibat dalam regulasi gen; ia mengikat DNA dan memengaruhi tingkat ekspresi berbagai gen lainnya, yang berarti jumlah protein yang dihasilkannya.

Namun, para peneliti tidak memiliki daftar lengkap gen yang dipengaruhi MECP2, dan tidak ada konsensus mengenai bagaimana MECP2 memengaruhi gen tersebut.

Penelitian awal terhadap MECP2 menunjukkan bahwa MECP2 merupakan suatu represor, sehingga mengurangi ekspresi gen targetnya, namun penelitian yang dilakukan oleh Jaenisch dan peneliti lain sebelumnya menunjukkan bahwa MECP2 juga bertindak sebagai penggerak, meningkatkan ekspresi targetnya — dan hal ini mungkin jadilah aktivator terlebih dahulu. Mekanisme kerja MECP2 juga tidak diketahui, atau apa sebenarnya fungsi protein yang menyebabkan perubahan ekspresi gen.

Keterbatasan teknologi telah menghalangi para peneliti untuk mendapatkan kejelasan tentang pertanyaan-pertanyaan ini. Namun Yanish, seorang postdoc di labnya, Yi Liu, dan mantan anggota lab Yanish, Anthony Flamier, sekarang menjadi asisten profesor di pusat penelitian CHU Sainte-Justine di Université de Montréal, telah menggunakan metode mutakhir untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini. Pertanyaan tersisa tentang MECP2 dan dapatkan wawasan baru tentang perannya dalam kesehatan dan penyakit otak.

Hasilnya dipublikasikan di jurnal Neuron, dan para peneliti juga membuat penyimpanan online data MECP2 mereka, Portal MECP2-NeuroAtlas, sebagai sumber daya bagi peneliti lain.

"Saya pikir makalah ini akan secara mendasar mengubah cara berpikir orang tentang bagaimana MECP2 menyebabkan sindrom Rett. Kami memiliki pemahaman yang benar-benar baru tentang mekanismenya, dan ini mungkin memberikan jalan baru untuk mengembangkan pengobatan untuk penyakit ini," kata Jaenisch, yang juga Profesor Biologi di Massachusetts Institute of Technology.

Pemahaman tingkat lanjut tentang MECP2 di otak

Para peneliti pertama-tama membuat peta terperinci tentang tempat MECP2 berikatan dalam rangkaian gen neuron manusia, baik di dalam gen atau di wilayah pengatur DNA di dekatnya. Mereka menggunakan pendekatan yang disebut CUT&Tag, yang dapat mendeteksi interaksi protein-DNA dengan akurasi tinggi.

Para peneliti telah menemukan lebih dari empat ribu gen yang terkait dengan MECP2. Mereka mengulangi pemetaannya pada neuron dengan mutasi MECP2 umum yang terkait dengan sindrom Rett untuk menentukan di mana MECP2 habis dalam kondisi penyakit.

Mengetahui gen mana yang mengikat MECP2 memungkinkan Liu dan Flamier mulai membuat hubungan antara target MECP2 dan kesehatan otak. Mereka menemukan bahwa banyak targetnya terlibat dalam pengembangan dan fungsi akson dan sinapsis saraf.

Mereka juga membandingkan daftar target MECP2 dengan database gen terkait autisme milik Simons Foundation Autism Research Initiative (SFARI) dan menemukan bahwa 381 gen dalam database tersebut adalah target MECP2.

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

Temuan ini dapat membantu memperjelas mekanisme yang mendasari gejala autisme pada sindrom Rett dan memberikan titik awal yang baik untuk menyelidiki kemungkinan peran MECP2 pada autisme.

"Kami telah membuat peta terintegrasi pertama dari epigenom MECP2 dalam bidang kesehatan dan penyakit, dan peta ini dapat memandu penelitian di masa depan," kata Liu. "Mengetahui gen mana yang menjadi target MECP2, dan gen mana yang secara langsung terganggu akibat penyakit ini, memberikan dasar yang kuat untuk memahami sindrom Rett dan mengajukan pertanyaan tentang regulasi gen di neuron."

Para peneliti juga memeriksa apakah MECP2 meningkatkan atau menurunkan ekspresi gen targetnya. Konsisten dengan sejarah MECP2 yang diidentifikasi oleh sebagian orang sebagai penggerak dan sebagian lainnya sebagai penekan, Liu dan Flamier menemukan contoh di mana MECP2 memainkan kedua peran tersebut.

Namun, meskipun MECP2 lebih sering dianggap sebagai penekan, Liu dan Flamier menemukan bahwa MECP2 pada dasarnya adalah penggerak—mengkonfirmasi temuan sebelumnya dari Jaenisch dan Liu. Satu eksperimen baru menunjukkan bahwa MECP2 mengaktifkan setidaknya 80% targetnya, dan eksperimen lainnya mengaktifkan hingga 88% targetnya.

Peta gen target yang dibuat oleh para peneliti memberikan wawasan tambahan tentang peran MECP2 sebagai aktivator. Mereka menemukan bahwa untuk gen yang diaktifkan MECP2, biasanya gen tersebut berikatan dengan wilayah DNA di bagian hulu gen yang disebut situs awal transkripsi.

Di sinilah mesin seluler memulai proses pembacaan gen menjadi RNA, setelah itu RNA diterjemahkan menjadi protein fungsional, yang merupakan produk ekspresi gen. Kehadiran MECP2 di lokasi awal transkripsi tempat dimulainya ekspresi gen konsisten dengan perannya sebagai penggerak gen.

Para peneliti kemudian mulai menentukan peran MECP2 dalam mengaktifkan gen. Mereka mempelajari molekul mana yang diikat MECP2 di situs ini, selain DNA, dan menemukan bahwa MECP2 berinteraksi langsung dengan kompleks protein yang disebut RNA polimerase II (RNA Pol II). RNA Pol II adalah mesin seluler utama yang mentranskripsikan DNA menjadi RNA. RNA Pol II tidak dapat menemukan gen sendiri, sehingga memerlukan banyak kofaktor, atau protein yang bekerja sama, untuk membantunya melakukan tugasnya.

Para peneliti berhipotesis bahwa MECP2 berfungsi sebagai salah satu kofaktor, membantu RNA Pol II memulai transkripsi pada gen tempat MECP2 berikatan. Analisis struktural MECP2 telah mengidentifikasi bagian molekul yang berikatan dengan RNA Pol II, dan eksperimen lain telah mengonfirmasi bahwa hilangnya MECP2 mengurangi keberadaan RNA Pol II di lokasi awal transkripsi yang relevan serta tingkat ekspresi gen target.

Hal ini menunjukkan bahwa sindrom Rett mungkin disebabkan oleh penurunan transkripsi gen yang ditargetkan oleh MECP2 karena mutasi pada MECP2 yang mencegahnya berikatan dengan RNA Pol II atau berikatan dengan DNA. Sejalan dengan gagasan ini, mutasi MECP2 yang paling umum dikaitkan dengan penyakit adalah pemotongan: mutasi yang menghilangkan sebagian protein, sehingga dapat mengubah interaksi antara MECP2 dan RNA Pol II.

Para peneliti berharap bahwa temuan mereka tidak hanya akan mengubah pemahaman kita tentang MECP2, namun pemahaman yang lebih dalam dan lebih luas tentang bagaimana MECP2 memengaruhi perkembangan dan fungsi otak dapat menghasilkan wawasan baru yang akan membantu orang dengan sindrom Rett dan gangguan terkait, termasuk autisme.

“Proyek ini adalah contoh yang sangat baik dari sifat kolaboratif dari pekerjaan laboratorium Jaenisch,” kata Flamier. "Rudolph dan Yi memiliki masalah khusus dengan Sindrom Rett, dan saya memiliki pengalaman dengan teknologi CUT&Tag yang dapat mengatasi masalah ini. Melalui diskusi, kami menyadari bahwa kami dapat menggabungkan upaya kami, dan sekarang kami memiliki gudang informasi yang bagus tentang MECP2 dan kaitannya dengan penyakit ini."