«Биология работает странным образом», — сказал Джоэл Рихтер, доктор философии, профессор молекулярной медицины в UMMS и старший автор исследования. "Мы исправили одну генетическую мутацию другой, что, по сути, показало, что две ошибки делают правильное. 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 Fragile X страдают умственной отсталостью, а также проблемами поведения и обучения. В зависимости от продолжительности повтора CGG, умственная отсталость может 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. Таким образом, FMRP контролирует синаптическую пластичность и высшую функцию мозга.
У мышей без гена Fragile X, например, общее повышение выработки нервного 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 отвечает 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 переходил 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 начали говорить 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 связываются 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», — сказал Рихтер. "Некоторые проникают через гематоэнцефалический барьер, некоторые токсичны, а некоторые нет.
Мы хотели бы изучить эти."
«Это еще один отличный пример того, как фундаментальная наука приводит к болезни человека», — сказал Рихтер. «Если бы мы начали изучать человеческий мозг, 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."