Для предотвращения синдрома Ретта надо постоянно поддерживать экспрессию белка MeCP2

Рис. 1. Белок MeCP2, мутация в котором приводит к развитию синдрома Ретта. Изображение с сайта en.wikipedia.org

Маленький камушек, едва шевельнувшись на вершине горы, вызывает сильный обвал. Точно так же слабые изменения в определенных регуляторных веществах вызывают множество каскадов реакций, которые приводят к широкомасштабным перестройкам клетки. Особенно важна правильная работа этих веществ тогда, когда организм развивается, поскольку даже небольшие нарушения регуляции могут привести к тяжелым отклонениям развития.
Управляющие вещества можно разделить на два типа. Одним из них нужно включиться только на короткий временной промежуток, в определенный критический период, а затем они больше не требуются для правильного развития организма. Их можно сравнить с кнопкой, на которую достаточно нажать один раз, чтобы механизм заработал. Другие же вещества, включившись раз, работают постоянно. Их можно сравнить с шестеренкой, которая должна беспрерывно вертеться, чтобы механизм функционировал правильно.
Мутации, возникающие в регуляторных белках, сильно сказываются на развитии организма. Вполне возможно, что в некоторых случаях возникающие нарушения развития можно было бы скомпенсировать, заставив организм экспрессировать правильный белок вместо мутантного. Однако тут важна одна тонкость. Если белок работает по принципу «кнопки», то есть должен включиться на короткий период во время развития организма, то достаточно «поймать» этот период, включить белок один раз — и развитие пойдет по правильному пути. Если же белок — «шестеренка», то есть должен работать постоянно, то необходимо будет включить белок в нужный момент и после этого постоянно следить за его экспрессией. Группа американских исследователей под руководством Хьюды Зогхби недавно показала, что белок MeCP2, мутации в котором приводят к развитию синдрома Ретта, работает по принципу шестеренки — то есть для того, чтобы в организме не возникало нарушений, он должен экспрессироваться постоянно.

Синдром Ретта — это тяжелое наследственное заболевание, приводящее к умственной отсталости, которое поражает почти исключительно девочек. Примерно до 6–18 месяцев ребенок развивается нормально, а затем наступает регрессия — все приобретенные двигательные и речевые навыки теряются, появляются судорожные припадки, останавливается рост головы, возникают типичные, бесцельные, однообразные движения рук и другие изменения, часто сходные по клинической картине с аутизмом.

Все эти многочисленные, разнородные нарушения возникают из-за мутации в одном-единственном гене — MECP2. Белок, кодируемый этим геном (он называется метил-СрG-связывающий белок 2, или MeCP2), является эпигенетическим регулятором — то есть он может включать или выключать экспрессию определенных генов. Когда нейрон дозревает до определенного уровня, MeCP2 выключает в нём некоторые, уже не нужные к этому моменту, гены, и мозг развивается нормально. Если же MeCP2 испорчен из-за мутации, он не может выключить эти гены. В результате кодируемые такими генами белки продолжают экспрессироваться, и в развитии мозга возникают тяжелые отклонения.

Поскольку причина болезни определена и поскольку причина эта — одна-единственная мутация (которая, к тому же, приводит не к гибели нейронов, а только к нарушению их жизнедеятельности), во многих исследованиях проводились попытки как-то скомпенсировать отсутствие в мозге MeCP2, в результате чего болезнь могла бы просто не проявиться.

На этом пути были достигнуты довольно значительные успехи. Например, четыре года назад научная группа во главе с Эдрианом Бердом обнаружила следующее: выключение у мышей гена MeCP2 ведет к развитию нарушений, сходных с синдромом Ретта; если же заставить их вновь экспрессировать этот ген, то симптомы исчезнут, и мыши выздоровеют. Это говорит о том, что синдром Ретта — вещь обратимая, то есть если его вовремя «поймать» и скорректировать, то он не приведет к неисправимым последствиями для нервной системы.

Однако остается важный вопрос — сколько времени мозг нуждается в MeCP2? Важен ли этот белок в течение короткого времени в какой-то критический период развития — или необходим постоянно? Если заставить нейроны экспрессировать MeCP2 в тот самый критический период, то предотвратит ли это болезнь или только отсрочит ее? Будет ли нуждаться больной ребенок в постоянном контроле за уровнем MeCP2 или достаточно будет «подтолкнуть» один раз экспрессию этого белка, а дальше всё пойдет само? Иными словами, «кнопка» ли этот белок — или «шестеренка»?

Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи вывели линию мышей, у которых можно было выключить экспрессию MeCP2 в любом возрасте. Этого можно добиться с помощью Cre-Lox-рекомбиназной системы (см. Cre-Lox Recombination).

Работает эта система так. Существует фермент бактериофагов по имени Cre-рекомбиназа (см. Cre recombinase). Этот фермент занимается тем, что вырезает участки ДНК, расположенные между специальными loxP-последовательностями (эти участки называются floxed — от flanked by LoxP sites). При этом вырезание возможно только тогда, когда в одной и той же клетке «встретились» Cre- и floxed-регионы. Если же в клетке присутствует что-то одно (только Cre или только flox), то никаких изменений происходить не будет. Поэтому если нам нужно выключить какой-то ген, то достаточно поставить его между двумя loxP-последовательностями и заставить клетку экспрессировать Cre-рекомбиназу.

В данном случае исследователи использовали не просто Cre, а CreER, то есть Cre, соединенный с мутантной формой одного из доменов эстрогенового рецептора (см. Estrogen receptor), чувствительной к препарату тамоксифену. В отсутствие тамоксифена ER вместе с пришитой к нему Cre плавает в цитозоле; Cre при этом совершенно безвредна, так как не может добраться до ДНК. Однако стоит в клетке появиться тамоксифену, как активированный им ER отправляется в ядро и тянет за собой Cre. Оказавшись в ядре, Cre набрасывается на loxP-последовательности, вырезает расположенные между ними гены, и в результате животное становится по этим генам нокаутом. Таким образом, можно нокаутировать ген тогда и только тогда, когда это нужно, — что, согласитесь, очень удобно.

У мышей, с самого начала нокаутных по MeCP2 (Knockouts, или KO, нарушения в развитии появляются уже в первые недели жизни. Это означает, что необходимость в MeCP2 возникает уже в течение этих первых недель. Чтобы проверить, нужен ли этот белок и дальше, исследователи позволили своим взрослым нокаутам (Adult knockouts или AKO) развиваться нормально до двух месяцев. После этого ученые с помощью инъекций тамоксифена остановили у них экспрессию MeCP2 и стали следить за их состоянием. Если MeCP2 работает по принципу «кнопки», то есть необходим в течение короткого промежутка времени, то его выключение в двухмесячном возрасте не вызовет у мышей никаких проблем. Если же MeCP2 — это «шестеренка», то у мышей всё равно разовьются расстройства, сходные по клинической картине с синдромом Ретта.

Результаты экспериментов были однозначны: MeCP2 — это «шестеренка», он необходим организму постоянно, и его выключение даже у взрослого организма приводит к реттоподобным нарушениям. Мыши, нокаутированные по гену этого белка во взрослом возрасте, показывают те же нарушения, что и мыши, лишенные MeCP2 с рождения. Они менее активны, у них нарушена походка, они не в состоянии нормально построить гнездо и к тому же преждевременно умирают. Кроме того, у них показаны изменения в экспрессии некоторых генов, сходные с теми, что наблюдаются у мышей, нокаутных по MECP2 с рождения.

Рис. 2. Мыши, нокаутированные по гену MECP2 во взрослом возрасте (AKO, левый график), преждевременно умирают, так же, как и те, которые были нокаутированы по MECP2 с рождения (KO, правый график). При этом мыши дикого типа (WT, первый контроль), а также те, у кого не включена Cre-lox-система (CreER и Flox, второй и третий контроль), не показывают преждевременной смертности. По вертикальной оси процент выживших (percent surviving), по горизонтальной оси на правом графике количество недель после выключения гена (weeks post-treatment), а на левом — количество недель жизни (weeks of life). Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Предупрежден — вооружен. Теперь мы знаем, что для предотвращения развития синдрома Ретта недостаточно ненадолго включить MeCP2, а надо постоянно поддерживать его экспрессию. Причем регулировать эту экспрессию нужно очень осторожно, потому что слишком резкое увеличение уровня данного белка может привести к крайне нежелательным последствиям. И будем надеяться, что дальнейшие исследования позволят более детально изучить синдром Ретта и — возможно — излечить это ужасное заболевание.

Источник: Christopher M. McGraw, Rodney C. Samaco, Huda Y. Zoghbi. Adult Neural Function Requires MeCP2 // Science. 2011. V. 333. P. 186.

Вера Башмакова