Temuan baru berkontribusi pada pemahaman yang lebih baik tentang penyebab sindrom Rett

Sindrom Rett adalah kelainan perkembangan saraf langka yang hingga saat ini belum ada obatnya atau pengobatan yang tepat. Sindrom ini menyebabkan gejala fisik dan kognitif yang parah, banyak di antaranya yang mirip dengan gangguan spektrum autisme.

Sindrom Rett disebabkan oleh mutasi pada gen MECP2, yang banyak terdapat 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, para peneliti ingin lebih memahami MECP2 dan fungsinya di otak.

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

Namun, para peneliti tidak memiliki daftar lengkap gen yang dipengaruhi oleh MECP2, dan tidak ada konsensus tentang bagaimana MECP2 memengaruhi gen-gen ini.

Penelitian awal MECP2 menunjukkan bahwa protein ini merupakan represor, yang mengurangi ekspresi gen targetnya, tetapi penelitian oleh Jaenisch dan yang lainnya sebelumnya telah menunjukkan bahwa MECP2 juga bertindak sebagai aktivator, yang meningkatkan ekspresi targetnya — dan bahwa protein ini mungkin merupakan aktivator sejak awal. Mekanisme kerja MECP2 juga tidak diketahui, atau apa sebenarnya yang dilakukan protein ini untuk menyebabkan perubahan dalam ekspresi gen.

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

Hasil mereka dipublikasikan dalam jurnal Neuron dan para peneliti juga membuat repositori daring data MECP2 mereka, portal MECP2-NeuroAtlas, sebagai sumber daya bagi peneliti lain.

"Saya pikir makalah ini akan mengubah pemahaman masyarakat tentang bagaimana MECP2 menyebabkan sindrom Rett. Kami memiliki pemahaman yang sama sekali baru tentang mekanismenya, dan ini dapat memberikan jalan baru untuk mengembangkan pengobatan untuk penyakit ini," kata Janisch, yang juga seorang profesor biologi di MIT.

Pemahaman Lebih Dalam tentang MECP2 di Otak

Para peneliti pertama-tama membuat peta terperinci tentang tempat MECP2 terikat dalam urutan gen neuron manusia, baik di dalam gen maupun di daerah pengatur DNA di dekatnya. Mereka menggunakan pendekatan yang disebut CUT&Tag, yang dapat menentukan interaksi protein dengan DNA dengan presisi tinggi.

Para peneliti menemukan lebih dari 4.000 gen yang terkait dengan MECP2. Mereka mengulangi pemetaan mereka pada neuron dengan mutasi MECP2 umum yang terkait dengan sindrom Rett untuk menentukan di mana MECP2 terkuras dalam kondisi penyakit.

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

Mereka juga membandingkan daftar target MECP2 mereka dengan basis data Simons Foundation Autism Research Initiative (SFARI) tentang gen terkait autisme dan menemukan bahwa 381 gen dalam basis data 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 dalam autisme.

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

Para peneliti juga mengamati apakah MECP2 meningkatkan atau menurunkan ekspresi gen targetnya. Sesuai dengan sejarah MECP2 yang diidentifikasi oleh beberapa pihak sebagai aktivator dan oleh pihak lain sebagai represor, Liu dan Flamier menemukan contoh di mana MECP2 memainkan kedua peran tersebut.

Akan tetapi, meskipun MECP2 lebih sering dianggap sebagai represor, Liu dan Flamier menemukan bahwa MECP2 sebagian besar merupakan aktivator— yang mengonfirmasi temuan sebelumnya oleh Jaenisch dan Liu. Satu percobaan baru menunjukkan bahwa MECP2 mengaktifkan sedikitnya 80% targetnya, dan percobaan lain menemukan bahwa MECP2 mengaktifkan hingga 88% targetnya.

Peta gen target yang dibuat oleh para peneliti memberikan wawasan tambahan mengenai peran MECP2 sebagai aktivator. Mereka menemukan bahwa untuk gen yang diaktifkan oleh MECP2, biasanya ia mengikat ke suatu wilayah DNA di hulu gen yang disebut situs awal transkripsi.

Ini adalah tempat di mana mesin seluler memulai proses transkripsi gen menjadi RNA, setelah itu RNA diterjemahkan menjadi protein fungsional, yang merupakan produk ekspresi gen. Keberadaan MECP2 di tempat awal transkripsi, tempat ekspresi gen dimulai, konsisten dengan perannya sebagai aktivator gen.

Para peneliti kemudian berusaha menentukan peran apa yang dimainkan MECP2 dalam aktivasi gen. Mereka mengamati molekul apa yang diikat MECP2 di lokasi 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 mentranskripsi DNA menjadi RNA. RNA Pol II tidak dapat menemukan gen sendiri, sehingga memerlukan berbagai kofaktor, atau kolaborator protein, untuk membantunya melakukan tugasnya.

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

Hal ini menunjukkan bahwa sindrom Rett mungkin disebabkan oleh penurunan transkripsi gen yang menjadi target MECP2 karena mutasi MECP2 yang mencegahnya mengikat RNA Pol II atau mengikat DNA. Sesuai dengan gagasan ini, mutasi MECP2 yang paling umum dikaitkan dengan penyakit adalah pemotongan: mutasi di mana bagian protein hilang, yang dapat mengubah interaksi antara MECP2 dan RNA Pol II.

Para peneliti berharap bahwa temuan mereka tidak hanya akan mengubah pemahaman kita tentang MECP2, tetapi juga 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 hebat tentang sifat kolaboratif lab Janisch," kata Flamier. "Rudolf dan saya memiliki masalah khusus terkait sindrom Rett, dan saya memiliki pengalaman dengan teknologi CUT&Tag, yang dapat memecahkan masalah tersebut. Melalui diskusi, kami menyadari bahwa kami dapat menggabungkan upaya kami, dan sekarang kami memiliki gudang informasi yang hebat tentang MECP2 dan kaitannya dengan penyakit."