В рамках биологической причуды, которая обещает предоставить исследователям новый подход к изучению и потенциальному лечению синдрома ломкой Х-хромосомы, ученые из Медицинской школы Массачусетского университета (UMMS) показали, что отключение гена, важного для трансляции информационной РНК (мРНК) в нейронах восстанавливает дефицит памяти и снижает поведенческие симптомы на мышиной модели распространенного неврологического заболевания человека. Эти результаты, опубликованные сегодня в журнале Nature Medicine, предполагают, что основной причиной синдрома ломкой Х-хромосомы может быть трансляционный дисбаланс, который приводит к повышенной выработке белка в головном мозге. Восстановление этого баланса может быть необходимо для нормальной неврологической функции.
"Биология работает странным образом," сказал Джоэл Рихтер, доктор философии, профессор молекулярной медицины в UMMS и старший автор исследования. "Мы скорректировали одну генетическую мутацию другой, что, по сути, показало, что две ошибки делают правильный выбор. Мутации в каждом гене приводят к нарушению функции мозга, но в наших исследованиях мы обнаружили, что мутации в обоих генах приводят к нормальному функционированию мозга. Это звучит нелогично, но в данном случае, похоже, именно это и произошло."
Синдром ломкой Х-хромосомы, наиболее распространенная форма наследственной умственной отсталости и наиболее частая причина аутизма, связанная с одним геном, является генетическим заболеванием, возникающим в результате экспансии повтора CGG в последовательности ДНК гена ломкой X (Fmr1), необходимой для нормального неврологического развития. Люди с ломкой X страдают умственной отсталостью, а также проблемами поведения и обучения. В зависимости от продолжительности повтора CGG, умственные нарушения могут варьироваться от легкой до тяжелой.
Хотя ученые определили генетическую мутацию, которая вызывает Fragile X, на молекулярном уровне они все еще мало знают о том, как работает болезнь или что именно в результате происходит не так в мозге. Известно, что ген Fmr1 кодирует белок Fragile X (FMRP). Этот белок, вероятно, выполняет несколько функций по всему нейрону, но его основная деятельность заключается в подавлении трансляции до 1000 различных мРНК. Делая это, FMRP контролирует синаптическую пластичность и высшую функцию мозга. У мышей без гена Fragile X, например, общее повышение выработки нейрального белка составляет от 15 до 20 процентов. Считается, что неспособность подавить трансляцию мРНК и связанное с этим увеличение нейральных белков может каким-то образом препятствовать нормальной синаптической функции у пациентов с ломкой X-хромосомой. Но поскольку FMRP связывает так много мРНК, и некоторые белки становятся более высокими, чем другие, анализ того, какая мРНК или комбинация мРНК ответственна за патологию Fragile X, является сложной задачей.
От лягушачьего яйца до ломкого X
В течение многих лет доктор. Рихтер изучал, как трансляция, процесс, в котором клеточные рибосомы создают белки, в яйцах лягушек превращается из состояния покоя в активное. Он открыл ключевой ген, контролирующий этот процесс, РНК-связывающий белок CPEB. В 1998 году Рихтер обнаружил белок CPEB в мозгу грызунов, где он играет важную роль в регулировании того, как синапсы разговаривают друг с другом. На этом этапе его работа начала двигаться от изучения роли CPEB в биологии развития лягушки к тому, как белок CPEB влияет на обучение и память. Удачный исследовательский симпозиум с коллегами из Колд-Спринг-Харбор заставил его задуматься о CPEB и синдроме ломкой Х-хромосомы.
"Я был сторонним наблюдателем, молекулярным биологом, который годами работал с лягушачьими яйцами, в одной комнате с нейробиологами и неврологами, когда они заговорили о синдроме ломкой Х-хромосомы и трансляционной активности," сказал Рихтер. "Это заставило меня подумать, что белок CPEB может быть путем к восстановлению трансляционного дисбаланса, который они обсуждали."
Рихтер знал, что CPEB стимулирует трансляцию, а FMRP подавляет ее. Он также знал, что у животных моделей, в которых отсутствует белок CPEB, наблюдается дефицит памяти и что оба белка связаны со многими из одних и тех же мРНК – перекрытие может достигать 33 процентов. Идея заключалась в том, что удаление белка, который стимулировал трансляцию, могло бы уравновесить потерю репрессорного белка FMRP, тем самым восстанавливая трансляционный гомеостаз в головном мозге и нормальную неврологическую функцию.
"Это была одна из тех глупых вещей типа “а что, если”," сказал Рихтер.
Чтобы проверить свою гипотезу, Рихтер разработал модель мыши с двойным нокаутом, в которой отсутствовал ген FMRP, вызывающий Fragile X, и ген CPEB. Когда они начали проводить измерения патологий Fragile X, то, что они обнаружили, было слишком хорошо, чтобы быть правдой.
"Мы измерили множество факторов, биохимических, морфологических, электрофизиологических и поведенческих фенотипов," сказал Рихтер. "И мы продолжали находить то же самое. Выключив оба гена FMRP и CPEB, мы смогли восстановить уровни синтеза белка до нормального и скорректировать болезненные характеристики мышей Fragile X, сделав их почти неотличимыми от мышей дикого типа."
Что наиболее важно, тесты для оценки кратковременной памяти у мышей с двойным нокаутом также показали нормальные результаты без признаков патологии ломкой Х-хромосомы. Это предложило эксперимент, чтобы проверить, может ли CPEB быть потенциальной терапевтической мишенью для Fragile X с пользой для пациентов. Рихтер и его коллеги взяли взрослых мышей Fragile X и ввели лентивирус, который экспрессирует небольшую РНК, чтобы сбить CPEB в гиппокампе, который является областью мозга, которая важна для кратковременной памяти. Последующие тесты показали улучшение кратковременной памяти у этих мышей, что указывает на то, что по крайней мере эта одна характеристика синдрома ломкой Х-хромосомы, который обычно считается нарушением развития, может быть обращена вспять у взрослых.
"Люди с Fragile X производят слишком много белка," сказал Рихтер. "Используя CPEB для повторной калибровки клеточного механизма, производящего белок, мы показали, что подавление этого процесса оказывает очень хорошее влияние на модели мышей с Fragile X. Возможно, подобный подход будет полезен для детей с этим заболеванием."
Следующим шагом для Рихтера и его коллег является определение того, какие из более чем 300 мРНК, с которыми связываются как CPEB, так и FMRP, способствуют развитию синдрома ломкой Х-хромосомы и как. Они также начнут изучать небольшие молекулы и другие способы, которые, например, удаление белка CPEB, могут замедлить синтез белка. "Есть несколько небольших молекул, которые, как мы знаем, влияют на трансляционный аппарат," Рихтер сказал. "Некоторые проникают через гематоэнцефалический барьер, некоторые токсичны, а некоторые нет. Мы хотели бы изучить эти."
"Это еще один отличный пример того, как фундаментальная наука превращается в болезнь человека," сказал Рихтер. "Если бы мы начали с изучения человеческого мозга, не зная о белке CPEB и его роли в трансляционной активности, мы бы не знали, с чего начать или что искать. Но поскольку мы начали с лягушки, где все гораздо легче увидеть, и поскольку чаще всего эти процессы сохраняются, мы узнали кое-что новое и совершенно неожиданное, что может оказать серьезное влияние на болезни человека."