Das Rett-Syndrom mobilisiert springende Gene im Gehirn

17. November 2010

Das Rett-Syndrom mobilisiert springende Gene im Gehirn

17. November 2010

LA JOLLA, CA – Mit wenigen Ausnahmen sind springende Gene – unruhige DNA-Stücke, die sich frei im Genom bewegen können – gezwungen, an Ort und Stelle zu bleiben. Bei Patienten mit Rett-Syndrom mobilisiert jedoch eine Mutation im MeCP2-Gen sogenannte L1-Retrotransposons in Gehirnzellen, die deren Genome neu mischen und möglicherweise zu den Krankheitssymptomen beitragen, wenn sie ihren Weg in aktive Gene finden, berichten Forscher am Salk Institut für Biologische Studien.

Ihre Ergebnisse wurden in der Ausgabe der Zeitschrift vom 18. November 2010 veröffentlicht Naturkonnte nicht nur erklären, wie eine einzelne Mutation die verblüffende Variabilität der für das Rett-Syndrom typischen Symptome verursachen kann, sondern wirft auch ein neues Licht auf die Komplexität molekularer Ereignisse, die psychiatrischen Störungen wie Autismus und Schizophrenie zugrunde liegen.

„Dies ist das erste Mal, dass wir einen Zusammenhang zwischen genomischer Stabilität und einer psychischen Störung zeigen können“, sagt Hauptautor Fred Gage, Ph.D., Professor am Salk's Laboratory of Genetics und Inhaber des Vi und John Adler Lehrstuhls für Forschung zu altersbedingten neurodegenerativen Erkrankungen. „Im Allgemeinen erfordert der durch L1-Retrotransposition erzeugte genomische Mosaikismus wahrscheinlich eine strenge Regulierung. Epigenetische Mechanismen wie die Methylierung eignen sich hervorragend zur Steuerung der L1-Aktivität.“

„Es gibt sicherlich eine genetische Komponente beim Rett-Syndrom und anderen psychiatrischen Störungen, aber das ist möglicherweise nicht das Einzige, was relevant ist“, sagt Erstautor Alysson Muotri, Ph.D., der die Studie als Postdoktorand im Gage-Labor begann ist jetzt Assistenzprofessor in der Abteilung für Pädiatrie/Zell- und Molekularmedizin der University of California, San Diego School of Medicine. „Somatische Einfügungen und Veränderungen durch L1-Elemente könnten eine wichtige, aber unterschätzte Rolle spielen, da sie schwer zu erkennen sind“, fügt er hinzu.

Das Rett-Syndrom, eine seltene neurologische Entwicklungskrankheit, betrifft vor allem Mädchen und gilt als eine der Autismus-Spektrum-Störungen. Die meisten Babys scheinen zunächst normal zu wachsen und sich zu entwickeln, doch mit der Zeit haben Kinder mit Rett-Syndrom zunehmend Probleme mit Bewegung, Koordination und Kommunikation.

Typische Merkmale sind Sprachverlust, stereotype Bewegungen, geistige Behinderung und soziale Verhaltensprobleme. Obwohl fast allen Fällen eine Mutation im MeCP2-Gen zugrunde liegt, ist die Schwere der Symptome des Rett-Syndroms bei Menschen sehr unterschiedlich.

Gage und sein Team fanden den verblüffenden Zusammenhang zwischen dem Rett-Syndrom und übermäßig aktiven L1-Retrotransposons, als sie fragten, wie ihre Aktivität im Gehirn reguliert wird. In früheren Arbeiten hatten sie bereits gezeigt, dass L1-Retrotransposons über einen „Kopieren und Einfügen“-Mechanismus Hunderte zusätzliche Kopien zum Genom von Neuronen hinzufügen und so die Informationen in einzelnen Gehirnzellen zufällig verändern. Allerdings waren sie nur während eines kurzen Zeitfensters aktiv: den frühen Stadien der Entwicklung von Nervenzellen. Sobald sich die neuronalen Vorläuferzellen auf ein neuronales Schicksal festgelegt hatten, blieben die L1-Elemente erneut an ihrem Platz hängen.

„Wir wollten wissen, wie dieser Prozess im Gehirn gesteuert wird und was passiert, wenn der Prozess schief geht“, erklärt Postdoktorandin und Co-Autorin Carol Marchetto, Ph.D. Sie interessierten sich insbesondere für MeCP2, das bei der Regulierung der Genaktivität eine Rolle spielt und das sie in der regulatorischen Region von LINE-1-Elementen gefunden hatten.

Erste Experimente ergaben, dass MeCP2 die Fähigkeit eines künstlichen L1-Elements beeinträchtigt, zusätzliche Kopien von sich selbst in das Genom kultivierter neuronaler Stammzellen einzuschleusen. Das künstliche Element war gentechnisch verändert worden, um Zellen grün leuchten zu lassen, nachdem es sich an einer neuen Stelle ausgebreitet hatte.

Als die Salk-Forscher dasselbe Reporterelement im Gehirn von Mäusen verfolgten, denen das Gen für MeCP2 fehlte, erhöhte sich seine Aktivität im Vergleich zu normalen Mäusen um das Sechsfache (siehe Film). „Die erhöhte Aktivität war spezifisch für bestimmte Gehirnregionen“, sagt Marchetto, „und korrelierte mit Gehirnregionen, die physiologische Unterschiede zeigen, wenn man das MeCP2-Gen bei Mäusen löscht.“

Interessiert wollten sie wissen, ob das Rett-Syndrom, das durch Mutationen im MeCP-Gen verursacht wird, zu einer erhöhten Mobilität von L1-Transposons führt. Marchetto erzeugte induzierte pluripotente Stammzellen (iPS) aus den Fibroblasten eines Rett-Patienten und einer nicht betroffenen Person, führte das Reporterelement ein und differenzierte sie in neuronale Vorläuferzellen. „Die Mobilität in Zellen des Rett-Patienten war fast doppelt so hoch im Vergleich zu normalen Zellen“, sagt Marchetto.

Um zu bestätigen, dass nicht nur ihr künstliches L1-Element unterwegs war, sondern auch endogene Elemente, entwickelten Muotri und seine Kollegen eine neue Technik, die es ihnen ermöglichte, den subtilen Anstieg des DNA-Gehalts zu erkennen, der durch zusätzliche in das Genom eingefügte L1-Kopien verursacht wurde. Mit dieser Methode konnten sie zeigen, dass die Anzahl der L1-Elemente im Gehirn von RTT-Patienten deutlich höher war als im Gehirn von Kontrollpersonen.

„Die hohen Raten neuronaler Transpositionen bei MeCP2-Knock-out-Mäusen und Rett-Patienten könnten eher eine Folge als eine Ursache des Krankheitsprozesses sein“, sagt Gage. „Dennoch können neue somatische Insertionen, insbesondere in frühen Entwicklungsstadien, in späteren Stadien der Krankheit eine Rolle spielen und die große Variabilität der bei Rett-Syndrom-Patienten beobachteten Symptome erklären.“

Zu den Forschern, die ebenfalls zu der Arbeit beigetragen haben, gehören Nicole G. Coufal und Ruth Oefner im Labor für Genetik des Salk Institute, Gene Yeo in der Abteilung für Zellular- und Molekularmedizin der University of California, San Diego, sowie Kinichi Nakashima das Labor für Molekulare Neurowissenschaften am Nara Institute of Science and Technology, Japan.

Die Arbeit wurde teilweise von den National Institutes of Health, der Emerald Foundation, der Mathers Foundation und dem Lookout Fund finanziert.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.

Das Salk Institute feiert stolz fünf Jahrzehnte wissenschaftlicher Exzellenz in der Grundlagenforschung.