Eine neue Arbeitsweise für MeCP2

Seit über einem Jahrzehnt wissen wir bereits, dass Mutationen am MECP2-Gen das Rett-Syndrom verursachen. Doch noch immer ist unklar, was genau dieses Protein eigentlich tut.

In den frühen 90ern reinigte das Wissenschaftlerteam um Adrian Bird MeCP2—das Kürzel steht für Methyl-CpG bindendes Protein 2—und benannte das Protein nach seiner Eigenschaft, Teile der DNA mit einem chemischen Aufhänger namens Methyl zu binden. Methyl neigt dazu, die Expression von Genen zu dämpfen, was die Annahme nahe legt, dass die Funktion von MeCP2 darin besteht, Gene stumm zu schalten.
Seitdem veröffentlichte Studien nehmen an, dass MeCP2 die Expression zahlreicher Gene aktiviert oder unterdrückt. Andere Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass dieses Protein im ganzen Genom bindet und so die Weise, wie DNA in eine Zelle eingebaut wird, beeinflusst.

Neue Belege, die heute (21. Dezember) in Cell veröffentlicht wurden, zeigen, dass MeCP2 im gesamten Genom an einzelnen Punkten bindet, die bei Mäusen mit der chemischen Substanz 5-Hydroxymethylcytosin (5hmC) markiert sind. Diese Interaktion könnte nun für das Verständnis des Rett-Syndroms von Bedeutung sein.

„[Die Studie ist] eine interessante neue Entwicklung in der Erforschung der funktionalen Bedeutung von MeCP2, und wir sollten diese verstehen, wenn wir das Rett-Syndrom verstehen wollen“, sagt Bird, Professor für Genetik an der Universität von Edinburgh in Schottland, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war.
Reichlich in der DNA bestimmter Hirnzellen vorhanden, scheint 5hmC ein Wegweiser für Arten von aktiven Punkten innerhalb des Genoms zu sein, d.h. jenen Regionen, die neues Protein ausschütten, so fand die Studie heraus. Dass MeCP2 nun an diesen Stellen einrastet, spricht für seine potenzielle Rolle als Genaktivator, es sollte allerdings auch klar sein, dass die Frage, was MeCP2 im Einzelnen tut, damit noch nicht vollständig beantwortet ist.

„Ob MeCP2 direkt an der Aktivierung beteiligt ist oder nicht, muss weiter erforscht werden. Aber wir wissen, dass es sich in Regionen, die 5hmC und aktive Gene enthalten, positionieren kann“, sagt Skirmantas Kriaucionis, Gruppenleiter der medizinischen Abteilung Nuffield an der Universität Oxford, welcher die Studie zusammen mit Nathaniel Heintz von der Rockefeller Universität in New York leitete.
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Podcast mit Skirmantas Kriaucionis

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Auffindung von 5hmC
Als postdoktoraler Forscher im Labor von Heintz hat Kriaucionis eher zufällig im Jahr 2009 5hmC entdeckt, als er der Frage nachging, wie eine eng verwandte Substanz, 5-Methylcytosin (5mC), die Genomstruktur in Hirnzellen beeinflusst. Ein Forscherteam um Anjana Rao an der Harvard Medical School, das unabhängig von Heintz’ Labor arbeitete, bestätigte dann die Existenz von 5hmC in der gleichen Ausgabe des Journals.

Die Forschung betrachtet 5mC als fünfte Base und 5hmC als sechste Base der DNA, die traditionell als ein Strang aus vier verschiedenen chemischen Substanzen, den so genannten Nukleotiden, angesehen wird. 5mC und 5hmC ähneln der traditionellen Base Cytosin, mit einer weiteren Methylgruppe allerdings entsteht 5mC, und mit einer Hydroxidgruppe zusätzlich am Methyl entsteht 5hmC. Die neue Studie bestätigte, dass Muster dieser chemischen Veränderung am Genom in jeder Zelle anders sind und dass sie Einfluss darauf haben, welche Gene wann ein- oder ausgeschaltet werden.

Die Entdeckung von 5hmC hat ein neues Arbeitsfeld eröffnet und zu Hunderten neuer Artikel geführt, die sich mit der Frage befassen, wo sich das Nukleotid in den Genomen verschiedener Zelltypen befindet und was es dort tut.

In der neuen Studie, die eine explorative Molekularprobe verwendete, um nach einem Bindepartner für 5hmC zu suchen, identifizierte das Team jenes Molekül als MeCP2 und als nichts Anderes. „Es war wirklich eine Überraschung“, so Kriaucionis.
„Dieser Artikel ist der Zweite, der einen Kandidaten als Bindungsprotein für 5hmC vorschlägt“, sagt Rao, heute Professorin für Signal- und Genexpressionsforschung am La Jolla-Institut für Allergologie und Immunologie, der nicht an der neuen Studie beteiligt war. Weitere Erkenntnisse haben ein anderes Molekül, MBD3, als Kandidaten vorgeschlagen, doch jene und die neuen Ergebnisse brauchen weitere Untersuchungen, fügte sie hinzu.

„Bisher binden beide Kandidaten — MBD3 and MeCP2—gleichermaßen an 5mC. Ein exklusives Bindungsprotein für 5hmC hat sich noch nicht als solches zu erkennen gegeben“, sagt Rao.

Im Widerspruch zu den neuen Nachweisen, dass MeCP2 gleichermaßen an 5hmC und 5mC bindet, zeigen frühere Studien, dass MeCP2 bevorzugt an 5mC bindet, und weniger an 5hmC. Beispielsweise zeigt eine Studie aus diesem Jahr, dass MeCP2 etwa zwanzigmal eher an 5mC bindet als an 5hmC.

Der Zusammenhang mit Rett

In der neuen Studie beobachteten Kriaucionis und seine Kollegen, dass eine bestimmte Mutation, die Rett auslöst, mit dem Namen R133C, die Bindung von MeCP2 an 5hmC stört. Diese Mutation ist verantwortlich für einen vergleichsweise milden Verlauf des Rett-Syndroms.

„[Die R133C-Mutation] ist wirklich interessant, da sie uns die Spekulation erlaubt, die Bindung von MeCP2 an 5hmC sei wichtig als Teil der Funktion, die das Rett-Syndrom verursacht“, sagt Kriaucionis.

Die aktuellen Erkenntnisse legen die mögliche Involviertheit von 5hmC bei Rett nun „sehr nahe“, sagt Peng Jin, institutsangehöriger Professor der Humangenetik, der nicht an der neuen Studie beteiligt war. Eine in Nature Neuroscience letztes Jahr von seinem Team veröffentlichte Studie stellte fest, dass Muster von 5hmC bei Mausmodellen für Rett verändert erscheinen.

Interessanterweis dämpft die R133C-Mutation die Interaktion von MeCP2 und 5mC nur leicht, was den Schluss zulässt, dass die Bindung von MeCP2 an 5mC einen anderen Zweck hat als die Bindung von MeCP2 an 5hmC.

Andere Rett auslösende Mutationen an MeCP2, die von diesem Team untersucht wurden, scheinen die Bindung an 5hmC nicht zu berühren, was bedeutet, dass die 5hmC-Bindung die Rett-Symptome nicht vollständig erklärt. „Es wird wichtig sein weiter zu testen, inwieweit 5hmC zum Rett-Syndrom beiträgt“, hält Jin fest und fügt hinzu, dass im Moment keine Mausmodelle dafür zur Verfügung stehen. Entsprechende Mutantenmäuse verfügen nicht über die Enzyme, die für die Umwandlung von 5mC zu 5hmC benötigt werden.

In der neuen Studie untersuchten die Wissenschaftler nur einige Typen Nervenzellen, doch es gibt Hunderte von Zelltypen im Gehirn. Kriaucionis vermutet, dass MeCP2 in anderen Zellen an 5hmC bindet.

Die Muster von 5hmC selbst sind jedoch zellspezifisch, was die Geschichte von MeCP2 möglicherweise verkompliziert.

„Wir brauchen wirklich mehr Daten, um zu verstehen, ob die Lokalisierung von 5hmC und MeCP2 in verschiedenen Zelltypen anders wäre, und wenn ja, wie sehr“, sagt Kriaucionis. „Es ist eine wichtige Komponente für das Verständnis der Funktion von MeCP2.“ Und sicher auch dafür, wie Wissenschaftler über künftige Behandlungsmöglichkeiten denken werden.

A Mouse in the House

20. August 2012 in Uncategorized | Tags: Rett Syndrom Deutschland
von Monica Coenraads
Es wäre nicht einfach, das, was wir bisher durch die Mausmodelle für Rett gelernt haben, zu hoch einzuschätzen. Immerhin wüssten wir ohne sie nicht, dass Rett reversibel ist.
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Es mag überraschend sein, dass es kein einzelnes Mausmodell für Rett gibt, sondern eher vielfältige Modelle, von “KO” oder “Knockout”-Mäusen, die absolut kein MeCP2 haben bis hin zu denen, bei denen exakt die gleichen MeCP2-Mutationen dupliziert wurden, die auch Menschen haben, wenn sie am Rett-Syndrom leiden.
Die Jackson Laboratories in Bar Harbor, Maine liefern gegenwärtig fast ein Dutzend Mausmodelle für Rett. Jackson (oder Jax, wie sie von den meisten Wissenschaftlern genannt werden) ist eine Non-Profit-Organisation, die sich dieser Arbeit widmet, um die Erkenntnisse über die menschliche Krankheit zu vertiefen. Obwohl kein Tiermodell die menschlichen Symptome oder Reaktionen perfekt abbildet, existieren doch 95% unserer genomischen Information auch bei Nagetieren. Jax führt eigene Forschung durch und züchtet und verwaltet Kolonien tausender Modelle und gewährleistet so eine außerordentliche Sorgfalt und den Blick für Details auf diesem sensiblen Gebiet.
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Wenn Sie mehr über Jax erfahren wollen, lesen sie bitte den älteren Artikel, Of Mice and Men…Or in the Case of Rett…Of Mice and Women.
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Ein sicherer Zugang zu den verschiedenen Modellen für das Rett-Syndrom ist von wesentlicher Bedeutung, wenn die Forschung Fortschritte machen soll, und dies ist ein Gebiet, an dem sich der RSRT und sein Vorläufer RSRF seit der Bekanntmachung der ersten Tiermodelle 2001 aktiv beteiligen. Diese ersten Modelle wurden vom RSRT-Mitglied und Berater Adrian Bird und von Rudolf Jaenisch vorgestellt.
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Von der Jax-Website: “Partners in the fight against Rett syndrome,” ein Bericht darüber, wie Monica Coenraads, Mutter einer Tochter mit Rett-Syndrom und Mitbegründerin zweier Organisationen für dessen Behandlung, zusammen mit Dr. Cathy Lutz an der Entwicklung und Verteilung neuer Mausmodelle für das Rett-Syndrom arbeitet.
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Es ist nicht immer üblich, Mausmodelle Kollegen zur Verfügung zu stellen, wie dieser Artikel über ein Mausmodell für das Angelman-Syndrom verdeutlicht. Wir haben wirklich großes Glück, dass die Forscher auf dem Gebiet von Rett ihre Modelle stets schnell und in alle Richtungen geteilt haben. Adrian Bird, Rudolf Jaenisch und Huda Zoghbi haben beispielhafte Maßstäbe gesetzt, indem sie ihre eigenen Mausmodelle zum Zeitpunkt der Veröffentlichung zur Verfügung gestellt haben.
In einigen Fällen ging das Teilen sogar der Veröffentlichung voraus. Im vergangenen Jahr berichtete Nature über den Fall einer Rett-Maus, die von Novartis entwickelt wurde. Das Modell wurde genetisch manipuliert, so dass das Rett-Protein leuchtete und entsprechend visuell verfolgt werden konnte. Viele Forscher drängten auf einen Zugang zu diesem Modell, was ihnen aufgrund rechtlicher Probleme verwehrt war. (Den Nature-Artikel – Licence rules hinder work on rare disease. Animal model off-limits to Rett syndrome researchers. finden Sie hier). Ich wusste, dass Adrian Bird ein eigenes Modell entwickelt hat, nachdem ihm der Zugriff auf das vorhandene verweigert worden war, und fragte ihn, ob er bereit sei, es über Jax mit der Forschergemeinde zu teilen. Er stimmte sofort zu, obwohl er bis zu diesem Zeitpunkt noch nichts veröffentlicht hatte. Die entsprechende Maus steht nun jedem Forscher weltweit zur Verfügung, wenn sie gebraucht wird.
Abgesehen davon, dass uns die Modelle über die molekularen Grundlagen der Krankheit aufklären, können sie auch für Behandlungstests eingesetzt werden. Wir haben alle davon gehört, dass sich Medikamente, die erfolgreich an Mäusen getestet wurden, später bei Menschen als unwirksam erwiesen haben. Entsprechend sind die kommenden Jahre sehr spannend, da wir gerade erforschen, welche Vorhersagen sich auf der Basis von Mausmodellen für Rett überhaupt machen lassen.

Lebenszyklen und MeCP2

15. Juni 2012 in Uncategorized | Tags: Adrian Bird, Helene Cheval, Huda Zoghbi, Jacky Guy, MECP2, Monica Coenraads, rett, rett syndrome, Rett Syndrome Research Trust, RSRT, University of Edinburgh
Rett Syndrome Research Trust Website
Adrian Bird und Kollegen haben kürzlich ihre letzte Arbeit über MeCP2 im Fachjournal Human Molecular Genetics veröffentlicht. Die im Artikel beschriebene Experimentreihe sollte Klarheit darüber bringen, was passiert, wenn das MeCP2-Protein bei Mäusen verschiedenen Alters entfernt wird, auch bei einer komplett erwachsenen Maus. Diese Arbeit wurde vom RSRT mitfinanziert, und es gab ebenso großzügige Unterstützung vom RSRT UK, der Rett Syndrome Research & Treatment Foundation (Israel) und anderen Organisationen , die unsere Forschungsvorhaben finanziell unterstützen.
Unten finden Sie Auszüge aus dem Gespräch mit den federführenden Autorinnen Hélène Cheval und Jacky Guy.
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(Bildtext: Postnatale Inaktivierung zeigt einen erhöhten Bedarf an MECP2 in bestimmten Altersspannen. Human Molecular Genetics, online veröffentlicht am 31. Mai)
Jacky Guy (ganz rechts), Hélène Cheval (zweite von rechts) mit Adrian Bird und anderen Labormitarbeitern. Universität Edinburgh, Schottland
MC Dr. Cheval, Sie sind ausgebildete Neurowissenschaftlerin. Was brachte Sie zum Bird-Labor, das doch sehr auf der Basis von Biochemie arbeitet, und wo Sie die einzige Neurowissenschaftlerin sind?
HC Mein letztes Labor, das von Serge Laroche, ist ein reines Labor für Neurowissenschaften, wo man sich sehr auf Lernen und Gedächtnis konzentriert. Ich dagegen habe eigentlich Biochemie betrieben und war sehr interessiert herauszufinden, wie man vom Molekül bis zum Verhalten kommt, und was mich auch sehr interessierte, war Chromatin. Ich hatte den Artikel über Umkehrung, der 2007 vom Bird-Labor veröffentlicht worden war, gelesen und dachte, das sei eine der interessantesten Arbeiten, die ich je gesehen hatte. Als ich meinen Doktortitel erhielt, bewarb ich mich um eine Post-Doc-Stelle. Ich war überzeugt, dass das für mich eine enorme Erfahrung sein würde, aber auch, dass das Labor vielleicht davon profitieren könnte, jemand mit einem neurowissenschaftlichen Hintergrund zu haben. So kam ich 2009 zum Labor dazu.
MC Dr. Guy, Sie waren erstmalig 2001 an einem Artikel über das Rett-Syndrom beteiligt. In dieser Arbeit wurde das Knockout-Modell für MeCP2 bei Mäusen vorgestellt, das im Labor geschaffen wurde. Es handelt sich um das Modell, das inzwischen in Hunderten von Laboren weltweit verwendet wird.
JG Ich kam 1997 an das Labor. Mein erstes Projekt waren bedingte Mausmodelle für Mecp2, d.h. Mäuse, bei denen man das Protein nach Wunsch entfernen kann. Zu diesem Zeitpunkt wussten wir noch nichts über die Verbindung zwischen MECP2 und dem Rett-Syndrom. Das stellte sich heraus, während ich an dem Projekt mitarbeitete. Eine wirklich spannende Zeit.
MC Es ist ungewöhnlich, dass jemand so lange an einem Labor bleibt. Das verschafft Ihnen ein faszinierendes, tiefes und kontinuierliches Wissen über das Fachgebiet.
JG Stimmt, ich habe einen eher ungewöhnlichen Weg eingeschlagen. Mir gefällt die Tätigkeit am Arbeitstisch, und ständig im gleichen Fachgebiet arbeiten zu können war großartig für mich.
MC Dr. Guy, vielleicht können Sie uns in das Thema einführen. Was waren die Leitfragen, die Sie mit dieser Reihe von Experimenten beantworten wollten?
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Jacky Guy
JG Dies war wirklich ein Experiment, das wir schon lange durchführen wollten. Wir wollten immer definieren, wann genau MeCP2 wichtig ist. Rett wurde lange als Störung der neuronalen Entwicklung betrachtet. Da Rett für uns völlig neu war, dachten wir, dass es vielleicht nicht mit der neuronalen Entwicklung zusammen hängt. Entsprechend haben wir anfangs das Protein in verschiedenen Altersstufen entfernt, um zu sehen, was passiert. Das Protein zu entfernen ist nicht so einfach, wie etwa das Gen zu reaktivieren, was wir ja bei dem Umkehrungsexperiment bereits erreicht hatten. Wenn man das Gen reaktiviert, produziert es sofort Proteine. Doch in diesem Experiment muss man darauf warten, dass das Protein zerfällt, nachdem man das Gen deaktiviert hat. Wir haben herausgefunden, dass es etwa zwei Wochen dauert, bis die Menge des MeCP2-Proteins um die Hälfte zurückgeht.
HC Jackys Umkehrungsexperiment ließ vermuten, dass MeCP2 mit dem Erwachsenenalter zusammenhängt. Viele Artikel beschrieben Rett jedoch weiterhin als Störung der neuronalen Entwicklung. Wir wollten auch eine Annahme bestätigen, die wir alle im Labor teilten: MeCP2 wird während des gesamten Lebens gebraucht.
MC Das ist eine Annahme, die auch in Huda Zoghbis Science-Artikel geäußert wird. Sie hat gezeigt, dass ein Entfernen von Mecp2 bei erwachsenen Mäusen im Alter von neun oder mehr Wochen Rett-Symptome auslöst. Denken Sie, dass ihr Artikel und Ihre neuen Daten die Vorstellung, dass Rett eine Störung der neuronalen Entwicklung ist, ad acta gelegt haben?
HC Für mich ist völlig klar, dass es in erster Linie nichts mit neurologischer Entwicklung zu tun hat.
JG Ich denke, dass „in erster Linie“ hier ein Schlüsselwort ist. Die Phänotypen, die wir bei Mäusen analysieren, sind recht einfach zu sehen. Es sind z.B. die Lebensdauer, die Atmung oder der Gang. Vielleicht gibt es tiefer liegende Dinge, die wir nicht beobachten, oder die nichts mit dem Protein-Knockout im Erwachsenenalter zu tun haben. Außerdem untersuchen wir keine kognitiven Aspekte. Also können wir die Möglichkeit nicht komplett ausschließen, dass es da vielleicht ein paar Dinge gibt, die ihren Ursprung in der neuronalen Entwicklung haben und dass wir sie in diesen Experimenten schlicht nicht sehen.
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(Bildtext:
Hauptergebnisse:
– MeCP2 wird ein Leben lang gebraucht
– MeCP2-Stufen sind während des Erwachsenenalters konstant
– Die Halbwertzeit von MeCP2 beträgt etwa 2 Wochen
– Die Zeitspannen zwischen der Deaktivierung des Proteins und dem Beginn der Symptome variieren im Zusammenhang mit dem Lebensalter
– Es gibt zwei Zeiträume, in denen MeCP2 bei Mäusen entscheidend ist: nach etwa 11 und nach etwa 39 Wochen
– Eine Reduzierung der MeCP2-Stufen löst ernste Symptome aus, egal zu welcher Zeit
– Leichte Erhöhungen des MeCP2-Proteins könnten zu therapeutischen Fortschritten führen)
JG Mecp2 kann zerstört werden, indem man die Maus in gleicher Weise mit Tamoxifen behandelt, wie das Protein in der Arbeit über die Umkehrung reaktiviert wurde. Für diesen Artikel wählten wir drei verschiedene Zeitpunkte, um das Gen abzuschalten: drei Wochen (zu diesem Zeitpunkt werden die Mäuse entwöhnt und beginnen unabhängig zu leben), elf Wochen und zwanzig Wochen. In allen drei Szenarien konnte das Tamoxifen Mecp2 in etwa 80% der Zellen auslöschen.
Man könnte erwarten, dass es eine bestimmte Zeitspanne braucht, bis das Protein verschwindet, und dies unabhängig vom Lebensalter, in dem man das Gen auslöscht. Danach sollten dann die Auswirkungen eintreten, die für ein Nichtvorhandensein des Proteins typisch sind.
Tatsächlich fanden wir aber heraus, dass die Zeitspanne bis zum Auftreten der Symptome in Abhängigkeit von dem Lebensalter, in dem wir das Gen deaktiviert haben, variiert. Es dauerte länger bis zum Auftreten der Symptome, als wir Mecp2 im Alter von drei Wochen deaktiviert haben. Als wir MeCP2 bei älteren Mäusen entfernten, traten die Symptome schneller auf. Es sieht also so aus, als könnten jüngere Mäuse ohne MeCP2 länger symptomfrei leben. Offensichtlich gibt es eine bestimmte Phase, in der der Bedarf an MeCP2 bei Mäusen wichtiger wird. Dies ist die erste entscheidende Phase, über die wir in dem Artikel sprechen. Sie liegt ungefähr um elf Wochen herum.
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Dr. Cheval und Dr. Guy mit Prof. Bird und anderen Labormitarbeitern
Als wir die Mäuse studierten, die zu allen drei Zeitpunkten behandelt wurden, sahen wir, dass sie alle etwa zur gleichen Zeit starben, ungefähr mit 39 Wochen. Es spielte keine Rolle, wann MeCP2 entfernt wurde. Daraus konnten wir schließen, dass diese Zeitspanne um ungefähr 39 Wochen herum eine weitere entscheidende Phase bezüglich des Bedarfs an MeCP2 darstellt. Die gleiche Zeitspanne entspricht ungefähr dem mittleren Lebensalter beim Menschen. Wir denken, dass MeCP2 möglicherweise eine Rolle beim Erhalt des Gehirns spielt, wenn dieses altert.
Interessanterweise beginnen weibliche Mäuse mit einem MeCP2-Defizit von ca. 50% in ihren Zellen innerhalb dieses Zeitfensters von etwa 39 Wochen, Symptome zu zeigen. Die männlichen Mäuse mit null MeCP2 schaffen es nicht bis zur ersten kritischen Phase von ungefähr elf Wochen. Entsprechend erlauben etwa 20% normal exprimierender Zellen ein Überleben der ersten entscheidenden Phase, nicht aber der zweiten.
MC Ich habe Klinikpersonal sagen hören, dass 30- und 40-jährige bez. noch ältere Frauen mit Rett älter aussehen, als sie sind. Jetzt frage ich mich, ob dies mit Ihrer Annahme, MeCP2 habe etwas mit dem Alterungsprozess zu tun, zusammenhängt. Natürlich wissen wir nicht, ob das vorzeitige Altern erst- oder zweitrangig ist. Es könnte auch mit den Auswirkungen eines chronischen Leidens über viele Jahre zusammenhängen.
JC Wir haben ein ziemlich großes Interesse, mehr über die potenziell späte Verschlechterung bei Frauen mit Rett zu erfahren, aber bisher wurde wenig über dieses Thema veröffentlicht.
MC In Ihrem Artikel werden zwei möglicherweise entscheidende Punkte benannt. Da gibt es einmal die Tatsache, dass die Halbwertzeit des MeCP2-Proteins zwei Wochen beträgt. Das könnte für einen Ansatz im Zusammenhang mit dem Ersetzen des Proteins bedeutsam und ermutigend sein.
JG Dies hatten wir mit Sicherheit im Hinterkopf, als wir das Experiment durchführten. Die Halbwertzeit von MeCP2 ist länger, als wir erwartet hatten. Das könnte tatsächlich verheißungsvoll für eine Proteinersatztherapie sein. Einen Vorbehalt gibt es allerdings; was wir gemacht haben, war ein Massenexperiment am Hirn. Es ist sehr gut möglich, dass es zu verschiedenen Ergebnissen kommt, wenn man stellenweise im Gehirn schaut oder nach einzelnen Zelltypen.
MC Die andere, möglicherweise klinisch relevante Information stammt aus dem Vergleich der Schwere der Symptome, die in dieser Studie bei den Mäusen beobachtet wurden, mit denen der erwachsenen Knockout-Mäuse im Zoghbi-Labor, sowie aus dem hergestellten Zusammenhang von Symptomen mit der Menge des MeCP2-Proteins. Ihre Experimente ergaben 3% mehr Protein und führten zu weniger schwerwiegend betroffenen Tieren. Können Sie das näher erläutern?
HC Dass ein derart kleiner Unterschied in der Proteinmenge so bedeutende Auswirkungen auf das Überleben hat, war nicht erwartet und könnte in der Tat für therapeutische Eingriffe relevant sein. Vielleicht müssen wir das Protein gar nicht auf die Stufe des wild lebenden Typs bringen, um einen Effekt zu erzielen. Es wäre möglich, dass schon kleine Steigerungen sehr hilfreich sind.
MC Ich gratulieren Ihnen beiden zu dieser Veröffentlichung. Das Bird-Labor hat bereits zahlreiche zukunftsweisende Beiträge zum Gebiet der Rett-Forschung geleistet. Normalerweise erhält die Gemeinde der Rett-Eltern keinen Einblick in die Experimente der Forscher, die ihre tägliche Arbeit machen. Entsprechend erfreut bin ich, unseren Lesern die Möglichkeit zu verschaffen, Sie ein wenig kennen zu lernen. Ich freue mich sehr auf die nächste Veröffentlichung und wünsche alles Gute für Ihre weitere Arbeit.
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Fotos mit freundlicher Genehmigung von Kevin Coloton

Behandlung von Funktionsstörungen der Synapsen

  1. Mai 2012 in Uncategorized | Tags: rett syndrome, rett, MECP2, Huda Zoghbi, Rett Syndrome Research Trust, RSRT, Baylor College of Medicine, Jan and Dan Duncan Neurological Research Institute, Monica Coenraads, Mark Bear, Ben Philpot, Morgan Sheng, Rodney Samaco, Mingshan Xue, Jackie Crawley, Tom Insel
RETT SYNDROME RESEARCH TRUST WEBSITE

Im letzten Monat reiste ich nach Houston, Texas, wo ich an einer faszinierenden Konferenz teilnahm, die von Huda Zoghbi und Morgan Sheng organisiert und vom RSRT mitfinanziert wurde. Unter dem Titel Störungen bei synaptischer Dysfunktion war das Event die Gründungszusammenkunft des kürzlich eingerichteten Jan and Dan Duncan Neurological Research Institute, das von Dr. Zoghbi geleitet wird.

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Die zwei Tage dauernde Konferenz brachte eine gemischte Gruppe Forscher aus der akademischen Welt (leitende und Nachwuchswissenschaftler sowie Post-Docs und graduierte Studierende) und der Industrie sowie der Nationalen Gesundheitsbehörde und anderer finanzierender Einrichtungen zusammen.

Den Schwerpunkt bildete nicht eine einzelne Krankheit, sondern eher eine Gruppe von Störungen (Rett, Angelman, Fragiles X, Autismus, Tuberöse Sklerose), denen ein zellulärer Phänotyp gemeinsam ist, und zwar eine abnorme Synapsenaktivität.

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(Bildtext: Eine Synapse ist die Lücke zwischen Nervenzellen, durch die elektrische oder chemische Signale übertragen werden.)

Es ist wenig überraschend, dass einige Gespräche, die den größten Widerhall erzeugten, von Laboren angestoßen wurden, die sich mit klinisch relevanter Forschung beschäftigen. Darunter finden sich die Labore von Mark Bear am MIT, wo an Fragilem X gearbeitet wird, und von Ben Philpot an der UNC. Dessen Labor arbeitet am Angelman-Syndrom.

Ähnlich wie das Rett-Syndrom ist Fragiles X eine Störung an einem einzelnen Gen. Es wird durch eine Mutation an einem Gen mit der Bezeichnung Fmr1 ausgelöst. Wenn Fmr1 mutiert ist, kann die Proteinsynthese nicht herunterfahren, was zu einer Überproduktion führt. Vor einigen Jahren brachte Dr. Bear den Gedanken ein, dass Wirkstoffe, die einen speziellen Typ Rezeptoren, mGluR5 (der den Prozess der Proteinsynthese an den Synapsen auslöst), blockieren können, der Überexpression der Proteine entgegenwirken und so den schädigenden Effekt eines Fmr1-Defizits ausschalten könnten. Seine Theorie hat sich als korrekt herausgestellt und zahlreiche Pharmaunternehmen führen gegenwärtig klinische Versuche an mGluR5-Antagonisten durch.

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(Bildtext: Dr. Bears Vortrag hatte den Schwerpunkt einer pharmakologischen Umkehrung der Symptome bei Fragilem X an erwachsenen Mausmodellen durch mGlu5-Blocker)

Ich habe Dr. Bear zum ersten Mal vor fast zehn Jahren getroffen, als er gerade begonnen hatte zu formulieren, was heutzutage als seine mGluR5-Theorie bei Fragilem X bekannt ist. Sein Labor wird aktuell vom RSRT darin unterstützt, die Proteinsynthese an Mausmodellen für Rett zu untersuchen. Dr. Bear nimmt an, dass Rett möglicherweise auf die Unterexpression von Proteinen zurückzuführen ist. Lässt sich diese Annahme stützen, wird man sich der pharmakologischen Manipulation von mGluR-Signalen zuwenden.

Ben Philpots Vortrag führte auch zu gespannter Erwartung. Er diskutierte ein Hochdurchsatzraster, das zur Auffindung eines Wirkstoffs führte, der das stumm geschaltete Gen des Angelman-Syndroms aktivieren kann (UBE3A). Dr. Philpot wird gegenwärtig auch vom RSRT unterstützt, um einen ähnlichen Ansatz für das stumme MECP2-Gen auf dem inaktiven X-Chromosom zu verfolgen.

Mike Greenberg sprach über MECP2 und nannte bisher unveröffentlichte Daten, die aus seiner Zusammenarbeit mit Adrian Bird im vom RSRT finanzierten MECP2-Konsortium stammen. (Mehr Information dazu in den nächsten Monaten)

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Jackie Crawley von der Nationalen Gesundheitsbehörde hielt einen brillanten Vortrag darüber, inwiefern „autistische Mäuse“ eine enorme Menge neuer Information liefern. Für mich war das Highlight ihres Vortrags, Aufnahmen der „Mäusesprache“ zu hören. Sie spielte eine Reihe Aufnahmen vor und ich war sehr überrascht von der Komplexität und der Fülle an Geräuschen. Seitdem sehne ich mich nach einer Analyse der von Rett-Mäusen produzierten Tönen.

Nach einer fröhlichen Cocktailrunde ging es mit dem Teller Abendessen in der Hand zurück an die Arbeit. Dr. Zoghbi und Dr. Sheng teilten die Teilnehmer in drei Arbeitsgruppen ein: 1) Dysfunktion bei Proteinen der Synapse 2) Dysfunktion der Kern-Zytoplasma-Proteine 3) junge Forscher und Nachwuchswissenschaftler. Ich wandte mich fröhlich der dritten Gruppe zu, indem ich mich als Mittdreißigerin ausgab.  Die Unerschrockenheit und Kühnheit dieser jungen Wissenschaftler haben mich sehr beeindruckt. Sie hatten keine Angst, den Status Quo zu kritisieren und auszusprechen, was man ändern könnte, um den Fortschritt zu verbessern. Ich verließ die Zusammenkunft gestärkt und mit dem sicheren Gefühl, dass die Wissenschaft bei dieser neuen Generation in guten Händen ist.

Die folgenden mehrstündigen Diskussionen, die von Rodney Samaco und Mingshan Xue geleitet und vom NIMH-Direktor Tom Insel ermöglicht wurden, waren geistig anregend und sehr unterhaltsam. Unten finden Sie eine visuelle Darstellung unserer intensiven Gespräche.

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Einige persönliche Gedanken zu der Zusammenkunft

  • Während des gesamten Treffens hörte ich immer wieder folgende Bemerkungen von Autismusforschern: „Wo stünden wir heute ohne die Tiermodelle für Syndrom-Autismus wie Rett und Fragiles X? Wir konnten davon sehr viel lernen.“ Mehr als einmal ertappte ich mich bei dem Gedanken, dass bei Rett, so schrecklich es auch sein mag, zumindest die genetische Disposition der Störung eindeutig ist – Rett ist ein Silberstreif.
  • Das Treffen gab mir Gelegenheit, einige Wissenschaftler persönlich zu treffen, mit denen ich zuvor Kontakt per E-Mail oder Telefon hatte, Leute wie Pat Levitt, Freda Miller und Michael Palfreyman. Das erinnerte mich daran, wie viele Menschen sich über die Jahre die Zeit genommen haben, um ihre Arbeit und mögliche Synergieeffekte für das Rett-Syndrom zu diskutieren.
  • Dr. Zoghbi und Dr. Sheng bezogen vom Beginn der Konferenz bis zur Abreise jeden Teilnehmer ein, auch während des intensiven Arbeitsessens. Ich selbst neige auch dazu bei Treffen, die ich selbst organisiere, aber ich fühle mich dann immer ein bisschen wie ein Sklaventreiber. Doch jetzt werde ich mich nicht mehr schuldig fühlen. Wenn Dr. Zoghbi der Meinung ist, das sei akzeptabel, dann schließe ich mich ihr an!

Meine Anerkennung an Dr. Zoghbi und Dr. Sheng für ein motivierendes Zusammentreffen und vielen Dank, dass ich eingeladen war.

Science Translational Medicine, welches das Treffen mitorganisiert hat, wird demnächst eine Informationsschrift zur weiteren Entwicklung herausgeben.
Der RSRT informiert Sie, wenn die Broschüre verfügbar ist.

Implikationen für Immunzellen im Hirn durch Rett-Syndrom-Studie

Von Jim Schnabel
18. April 2012
Das Rett-Syndrom, ein genetisch bedingtes Leiden, das ernsthaftes geistiges Retardieren hervorruft, war lange ein seltenes und trauriges Rätsel für die Wissenschaft—doch es ist ein Rätsel von größerer Wichtigkeit, als seine kleine Gruppe von Betroffenen (~15.000 in den USA) vermuten ließe. Das Syndrom äußert sich durch einen plötzlichen Rückgang in der normalen Entwicklung, wenn ein Kind zwischen 6 und 18 Monate alt ist. Zu diesem Rückgang gehören bemerkenswerterweise Autismus-ähnliche Merkmale wie Sprachverlust und sozialer Rückzug. Forscher, die Rett untersuchen, hoffen, dass sie mit darüber gewonnenem Verständnis eventuell auch mehr über Autismus und möglicherweise sogar weitere Verhaltensstörungen herausfinden. Dies macht einen neuen Bericht, der am 18. März in der Online-Ausgabe von Nature erschien, besonders interessant: Junge Mäuse, die den genetischen Defekt von Rett haben und normalerweise eine Rett-ähnliche Störung entwickeln, waren weitgehend geschützt durch eine Knochenmarktransplantation, die gesunde Immunzellen in ihr Hirn brachte.
„Von klinischen Tests sind wir weit entfernt, aber die Ergebnisse der Marktransplantation bei diesen Mäusen waren phantastisch“, sagt Jonathan Kipnis, außerordentlicher Professor für Neuroimmunologie an der Universität Virginia und federführend bei diesem Bericht.
Ersatz von Mikroglia
Das Rett-Syndrom wird üblicherweise durch spontane Mutationen des Gens MeCP2 in der DNA von Spermazellen verursacht. Dieses Gen ist im Normalfall hoch exprimiert in Hirnzellen. Es befindet sich auf dem X-Chromosom, und Jungen, die nur über ein X-Chromosom verfügen, überleben selten länger nach der Geburt, wenn ihr Mecp2-Gen beschädigt ist. Mädchen haben zwei X-Chromosomen, von denen nur eins in jeder Zelle aktiv ist, so dass nur ungefähr die Hälfte der Hirnzellen von Mädchen mit Rett-Syndrom aktive, funktionierende Kopien von Mecp2 besitzen. Diese Mädchen entwickeln sich zunächst normal, doch zwischen dem sechsten und achtzehnten Lebensmonat kommt es zu Regressionen, die sich autismus-ähnlich gestalten und mit Atemschwierigkeiten, Lernschwierigkeiten, motorischen Abnormitäten und Krämpfen einhergehen. Diese Anzeichen stabilisieren sich nach einigen Jahren, und Mädchen mit Rett leben gewöhnlich bis zum Alter von 50 Jahren und mehr, sind aber ernsthaft eingeschränkt und können oft weder sprechen noch gehen—und tatsächlich gibt es keine wirksame Behandlung für ihren Zustand.
Das Mecp2-Gen kodiert das MECP2-Protein, welches gemeinhin eine große ‚epigenetische’ Rolle spielt, indem es einige Gene abgeschaltet und andere eingeschaltet hält. Wissenschaftler verstehen allerdings noch immer nicht, wie ein Verlust der MECP2-Funktion zu den vielfältigen Problemen des Rett-Syndroms führt. Bei Mausmodellen für Rett (typischerweise durch das Abschalten beider Mecp2-Gene gezüchtet) kommt es durch das Hinzufügen einer gesunden Version von Mecp2 zu reifen Nervenzellen zu einer Umkehrung der meisten Krankheitsanzeichen. Darüber hinaus haben kürzlich durchgeführte Studien den Gedanken nahe gelegt, dass die Mecp2-Mutation ihre Auswirkungen teilweise über unterstützende Zellen im Hirn erreicht. Zu diesen Zellen zählen Astrozyten und Mikroglia.
Für die neue Studie wollten Kipnis und sein Team herausfinden, was passiert, wenn sie nur die Mikroglia im Hirn von Rett-Mäusen entfernen und sie durch gesunde, nicht mutierte Mikroglia ersetzen. Um dies zu tun, verabreichten sie den Mäusen eine Strahlendosis, die nahezu alle Immunzellen abtötet (diese Zellen sind empfindlicher für Strahlung, weil sie sich relativ schnell teilen). Dann taten sie, was Ärzte oft bei Leukämiepatienten durchführen: Sie gaben den Mäusen durch die Transplantation von Knochenmark von nah verwandten, aber gesunden Mäusen ein neues Immunsystem. Mikroglia sind Immunzellen, die aus dem Knochenmark stammen und von dort ins Hirn wandern, wenn sie heranreifen.
Zu Kipnis’ Überraschung entwickelten sich die Rett-Mäuse fast normal, nachdem sie auf diesem Weg Mikroglia erhalten hatten. Ihre Nervenzellen und Astrozyten enthielten die Rett-Mutation weiterhin, doch mit den gesunden, nicht mutierten Mikroglia erreichten sie eine fast normale Lebensspanne, nahezu normales Gewicht, Verhalten und andere Anzeichen. Sogar ohne eine Transplantation erlaubte die Wiederherstellung des Mecp2-Gens nur bei den Mikroglia der Mäuse eine teilweise Erholung. Im Gegensatz dazu konnten neue Mikroglia aus der Transplantation nicht in ausreichender Zahl ins Gehirn gelangen, wenn die Gehirne der Rett-Mäuse mit Blei abgeschirmt wurden, so dass die kranken Mikroglia nicht durch die Strahlung abstarben. Entsprechend entwickelten die Mäuse ihre üblichen Rett-Anzeichen.
„Es ist faszinierend, dass diese Mäuse so lange lebten”, sagte Kamal Gadalla, ein Rett-Wissenschaftler an der Universität Glasgow, der einen kürzlich erschienenen Artikel über die Krankheit hauptsächlich verfasst hat. „Das ist ziemlich viel versprechend.“
Die Ergebnisse der Transplantation sind zusammen mit Ergebnissen einer 2011durchgeführten Studie zu Mecp2–Gen-Ersetzung in Astrozyten „sehr überraschend und sie fordern bisherige Überzeugungen auf dem Gebiet heraus“, sagt Steven Gray, ein Rett-Gentherapieforscher von der Universität North Carolina.
Kipnis’ Studie wurde vom Rett Syndrome Research Trust in Fairfield, Connecticut, finanziert. Monica Coenraads, Mitbegründerin des Trusts und geschäftsführende Direktorin, zitierte den Fall eines Mädchens mit Rett, das nach einer Knochenmarktransplantation wegen Leukämie einige Kommunikationsfähigkeiten zurück erlangte—obwohl, wie sie ebenfalls sagte, das Mädchen später an der Leukämie verstarb. „Das ist die einzige Anekdote dieser Art, von der ich weiß, aber nun, da der Artikel veröffentlicht ist, hoffe ich, dass wir von anderen Fällen hören, bei denen eine Knochenmarktransplantation zu Verbesserungen bei einer Rett-Patientin geführt hat“, sagt Coenraads.
Behandlungsmöglichkeiten
Ein Abtöten der Immunzellenpopulation durch Strahlung und ihre Wiederherstellung durch eine Knochenmarktransplantation ist ein möglicherweise zu risikoreiches Verfahren für Kinder, die vom Rett-Syndrom betroffen sind. Da sich aber die Eltern dieser Kinder sehr genau darüber im Klaren sind, dass es keine Behandlungsmöglichkeit für die nahe Zukunft gibt, hofft Coenraads, dass Wissenschaftler in der Lage sein werden, sicherere Wege zu finden, um Mikroglia von Knochenmarkspendern in angemessener Zahl in die Gehirne von Rett-Patienten zu bringen, wenn Kipnis’ Ergebnisse durch andere Labore bestätigt werden können. Sie hält fest: „Knochenmarktransplantationen werden inzwischen bei einer langen Liste von Krankheiten eingesetzt.“
Alternativ könnten Forscher die vorhandenen Mikroglia bei Rett-Kindern durch Gentherapie anvisieren, so wie das Team von Kipnis es in seiner Studie getan hat. Bisher sahen sich die Versuche, das Rett-Syndrom mit Gentherapien, die Mecp2 an alle Hirnzellen verteilen, zwei großen Herausforderungen gegenüber. Die eine ist, dass die Expressionsstufe von Mecp2 innerhalb eines engen Rahmens gehalten werden muss; eine Gentherapie, die eine ungewöhnlich hohe Mecp2-Expression in Nervenzellen hervorruft, könnte toxisch auf das Hirn des Patienten wirken. „Bisher ist nicht klar, wie wenig wirklich genug ist, und wie viel zu viel“, sagt Gray.
Die andere Herausforderung ist, dass Gentherapien, die normalerweise Viren einsetzen, um therapeutische Gene in Zellen zu transportieren, bisher nicht sehr effizient arbeiten. Beide Herausforderungen könnten überwunden werden, indem man die Gentherapie auf Mikroglia anstatt auf Hirnzellen richtet. „Ich persönlich mag die Idee, Glia anstelle von Neuronen zu nutzen, weil es für die Glia nicht so bedrohlich ist wie für die Hirnzellen, wenn wirklich etwas schief geht“, sagt Gadalla. Es gibt darüber hinaus einige Hinweise darauf, dass Gentherapievektoren ihre Ladung effizienter an nicht-neuronale Zellen wie Glia liefern können als an Nervenzellen. „Vielleicht muss man nicht alles anvisieren, um mit Gentherapie einen therapeutischen Effekt zu erzielen“, sagt Gray.
Andere mögliche Strategien umfassen den Einsatz von Medikamenten, welche die Aktivität von gesunden Mecp2-Kopien in Hirnzellen verstärken.
Es ist nicht absolut klar, warum die transplantierten Mikrogliazellen in Kipnis’ Studie so starke Auswirkungen beim Schutz gegen Rett-Symptome hatten, aber Kipnis vermutet, dass dies mit der Arbeit der Mikrogliazellen als Blocker und Verwerter von zufälligen Ablagerungen im Hirngewebe zusammenhängt. Durch Rett mutierte Mikroglia in der Laborschale zeigten eine geschwächte Fähigkeit zum Blocken von Ablagerungen (‘Phagozytose’); und als das Team von Kipnis ein Medikament verwendete, um die Phagozytose der Mikroglia im Hirn der Empfängermäuse einer Transplantation zu schwächen, verloren die Mäuse große Teile des Schutzeffekts durch die Transplantation und entwickelten ihre bekannte Rett-ähnliche Verfassung. „Wenn dass Hirn beim Rett-Syndrom die Zellablagerungen nicht lösen kann, hat es nicht nur kranke Nervenzellen, sondern auch eine verschlechterte Unterstützungsumgebung um diese Nervenzellen herum“, sagt Kipnis. „Wenn wir diese Unterstützung wiederherstellen können, können die kranken Nervenzellen vielleicht mit höherer Kapazität funktionieren.“ Entsprechend ist eine weitere Behandlungsstrategie das Auffinden von medikamentösen Wirkstoffen, welche die Intensität der Phagozytose in Mikroglia verstärken können. Kipnis untersucht diese Möglichkeit jetzt.
Implikationen für andere Krankheiten
Normalerweise sind Forscher bei Schlussfolgerungen auf der Basis einer kleinen Studie an Mäusen sehr vorsichtig, aber Kipnis’ Ergebnisse stützen weitere Beweise, dass Mikroglia eine entscheidende Rolle bei Störungen der Kognition und des Verhaltens spielen. Alzheimer-Forscher wissen seit einigen Jahren, dass Mikroglia insofern am Schutz vor der Krankheit beteiligt sind, indem sie Amyloid-beta-Proteinaggregate entfernen. Wissenschaftler der Universität Utah berichteten 2010, dass eine Verabreichung von gesunden Mikroglia über eine Knochenmarktransplantation bei Mäusen eine genetisch bedingte Disposition, die sich in übermäßiger Pflege und dem Ausreißen von Haaren äußert und der Zwangsneurose beim Menschen ähnelt, heilte Es gibt ebenfalls vermehrt Beweise dafür, dass eine Gehirnentzündung—die Aktivierung von Mikroglia einschließt—die Produktion von neuen Nervenzellen des Hippocampus stoppen und zu Symptomen von Depression beitragen kann.
Ein gestörtes Neuroimmunsystem könnte auch zu einigen Fällen von Autismus beitragen, und Kipnis hofft jetzt herauszufinden, ob der Verlust der Phagozytose ebenfalls für Störungen im Autismusspektrum relevant ist. „Wenn wir an Mäusen zeigen können, dass wir durch das Entfernen der Phagozytoseaktivität bei Mikroglia eins der autistischen Syndrome imitieren können, würde das meiner Ansicht nach das gesamte Gebiet verändern“, sagt er. „Wir sind weit davon entfernt, aber genau dort wollen wir hin.“