Белок MECP2: роль в метилировании ДНК и развитии нервной системы.

Введение

Белок, связывающий ДНК, участвующий в метилировании.

MECP2 (метил-CpG-связывающий белок 2) — это ген, кодирующий белок MECP2. MECP2 представляется необходимым для нормальной функции нервных клеток. Этот белок, по-видимому, особенно важен для зрелых нервных клеток, где он присутствует в высоких концентрациях. Белок MECP2, вероятно, участвует в отключении ("репрессии" или "подавлении") нескольких других генов, предотвращая синтез белков, когда они не требуются. Недавние исследования показали, что MECP2 также может активировать другие гены. Ген MECP2 расположен на длинном (q) плече Х-хромосомы в полосе 28 ("Xq28"), между 152 808 110 и 152 878 611 парами оснований. MECP2 является важным "считывателем" метилирования ДНК. Его метил-CpG-связывающий домен (MBD) распознает и связывает 5 mC-регионы. MECP2 сцеплен с Х-хромосомой и подвержен инактивации Х-хромосомы. Мутации гена MECP2 являются причиной большинства случаев синдрома Ретта — прогрессирующего неврологического расстройства развития и одной из наиболее распространенных причин когнитивных нарушений у девочек. На данный момент обнаружено не менее 53 мутации в этом гене, вызывающих заболевание.

Функция

Белок MECP2 присутствует во всех клетках организма, включая мозг, выступая в роли транскрипционного репрессора и активатора, в зависимости от контекста. Однако представление о том, что MECP2 функционирует как активатор, относительно ново и остаётся предметом дискуссий. В мозге он содержится в высоких концентрациях в нейронах и участвует в созревании центральной нервной системы (ЦНС) и образовании синаптических контактов.

Механизм действия

Белок MeCP2 связывается с формами ДНК, подвергшимися метилированию. Затем белок MeCP2 взаимодействует с другими белками, образуя комплекс, который подавляет экспрессию гена. MeCP2 предпочитает связываться с участками генома, где цитозин (C) в определенной последовательности ДНК, "CpG", подвергся химической модификации. Это является формой метилирования ДНК. Многие гены содержат CpG-острова, которые часто расположены в начале гена. В большинстве случаев MECP2 не связывается с этими островами, поскольку они не метилированы. Экспрессия некоторых генов может регулироваться посредством метилирования их CpG-острова, и MECP2 может играть роль в регуляции подмножества этих генов. Исследователи пока не установили, какие гены являются мишенями белка MeCP2, однако можно предположить, что эти гены важны для нормального функционирования центральной нервной системы. Тем не менее, первое масштабное картирование участков связывания MECP2 в нейронах показало, что только 6% участков связывания находятся в CpG-островах, и что 63% промоторов, с которыми связан MECP2, активно экспрессируются, а только 6% сильно метилированы, что указывает на то, что основная функция MECP2 заключается не в подавлении метилированных промоторов. После связывания MeCP2 конденсирует структуру хроматина, формирует комплекс с гистон-дезацетилазами (HDAC) или непосредственно блокирует факторы транскрипции. Более поздние исследования показали, что MeCP2 также может функционировать как транскрипционный активатор, рекрутируя фактор транскрипции CREB1. Это было неожиданным открытием, которое позволяет предположить, что MeCP2 является ключевым регулятором транскрипции с потенциально двойной ролью в экспрессии генов. Фактически, большинство генов, регулируемых MeCP2, скорее активируются, чем подавляются. Однако остается предметом дискуссий, регулирует ли MeCP2 эти гены напрямую или эти изменения являются вторичными. MeCP2 участвует в регуляции импринтированных генов и локусов, включая UBE3A и DLX5. Снижение экспрессии MECP2 в нейронных стволовых клетках Mecp2+/ вызывает увеличение клеточного старения, нарушение пролиферативной способности и накопление нерепарируемых повреждений ДНК. После обработки клеток Mecp2+/ любым из трех различных агентов, вызывающих повреждение ДНК, в клетках накапливалось больше поврежденной ДНК, и они были более подвержены гибели клеток, чем контрольные клетки. Также в карбоксильном конце обнаружены необычные, повторяющиеся последовательности, тесно связанные с семейством fork head на уровне аминокислот.

The MeCP2 protein binds to forms of DNA that have been methylated. The MeCP2 protein then interacts with other proteins to form a complex that turns off the gene. MeCP2 prefers to bind to sites on the genome with a chemical alteration made to a cytosine (C) when it occurs in a particular DNA sequence, "CpG". This is a form of DNA methylation. Many genes have CpG islands, which frequently occur near the beginning of the gene. MECP2 does not bind to these islands in most cases, as they are not methylated. The expression of a few genes may be regulated through methylation of their CpG island, and MECP2 may play a role in a subset of these. Researchers have not yet determined which genes are targeted by the MeCP2 protein, but such genes are probably important for the normal function of the central nervous system. However, the first large scale mapping of MECP2 binding sites in neurons found that only 6% of the binding sites are in CpG islands, and that 63% of MECP2 bound promoters are actively expressed and only 6% are highly methylated, indicating that MECP2's main function is something other than silencing methylated promoters. Once bound, MeCP2 will condense the chromatin structure, form a complex with histone deacetylases (HDAC), or block transcription factors directly. More recent studies have demonstrated that MeCP2 may also function as a transcriptional activator, through recruiting the transcription factor CREB1. This was an unexpected finding which suggests that MeCP2 is a key transcriptional regulator with potentially dual roles in gene expression. In fact, the majority of genes that are regulated by MeCP2 appear to be activated rather than repressed. However, it remains controversial whether MeCP2 regulates these genes directly or whether these changes are secondary in nature. MeCP2 has been implicated in regulation of imprinted genes and loci that include UBE3A and DLX5. Reduced expression of MECP2 in Mecp2+/ neural stem cells causes an increase in senescence, impairment of proliferative capacity and accumulation of unrepaired DNA damage. After treatment of Mecp2+/ cells with any of three different DNA damaging agents, the cells accumulated more damaged DNA and were more prone to cell death than control cells. There are also unusual, repetitive sequences found at the carboxyl terminus. This region is closely related to the fork head family, at the amino acid level.

Роль в болезни

Роль MECP2 в развитии заболеваний в основном связана либо с потерей функции (недоэкспрессией) гена MECP2, как при синдроме Ретта, либо с приобретением функции (переэкспрессией), как при синдроме дупликации MECP2. Многие мутации ассоциированы с потерей экспрессии гена MECP2 и обнаружены у пациентов с синдромом Ретта. Эти мутации включают изменения в отдельных нуклеотидных парах ДНК (SNP), вставки или делеции ДНК в гене MECP2, а также изменения, влияющие на процесс обработки генетической информации в белок (сплайсинг РНК). Мутации в гене изменяют структуру белка MeCP2 или приводят к снижению его количества. В результате белок не способен связываться с ДНК или активировать/инактивировать другие гены. Гены, которые обычно подавляются MeCP2, остаются активными, когда их продукты не требуются. Другие гены, которые обычно активируются MeCP2, остаются неактивными, что приводит к дефициту белковых продуктов. Этот дефект, вероятно, нарушает нормальное функционирование нервных клеток, вызывая признаки и симптомы синдрома Ретта. Синдром Ретта в основном встречается у девочек с частотой примерно 1 случай на 10 000; плоды мужского пола с нормальным кариотипом, страдающие этим заболеванием, редко доживают до рождения, а если и доживают, то обычно умирают вскоре после родов. У пациентов изначально трудно обнаружить признаки расстройства, но примерно через шесть месяцев – полтора года наблюдается снижение речевых и двигательных навыков. Затем развиваются судороги, задержка роста, когнитивные и двигательные нарушения. Локус MECP2 сцеплен с X-хромосомой, а вызывающие заболевание аллели являются доминантными. В связи с более высокой распространенностью у женщин, это связано с летальностью у мужчин или с преобладающим наследованием отцовской X-хромосомы; тем не менее, в редких случаях синдром Ретта может поражать и мужчин. Мужчины с дупликацией гена MECP2 в локусе Xq28 также подвержены риску рецидивирующих инфекций и менингита в младенчестве. Мутации в гене MECP2 также были выявлены у людей с другими заболеваниями, поражающими центральную нервную систему. Например, мутации MECP2 связаны с некоторыми случаями умеренной и тяжелой X-сцепленной умственной отсталости. Мутации в гене также обнаружены у мужчин с тяжелой дисфункцией мозга (неонатальной энцефалопатией), которые живут лишь до раннего детства. Кроме того, у некоторых людей с признаками как синдрома Ретта, так и синдрома Ангельмана (состояние, характеризующееся умственной отсталостью, проблемами с движением, неадекватным смехом и возбудимостью) обнаружены мутации в гене MECP2. Наконец, о мутациях MECP2 или изменениях в активности гена сообщалось в некоторых случаях аутизма (расстройства развития, влияющего на коммуникацию и социальное взаимодействие). Более поздние исследования выявили генетические полиморфизмы в генах MeCP2 у пациентов с системной красной волчанкой (СКВ). СКВ – это системное аутоиммунное заболевание, которое может поражать несколько органов. О полиморфизмах MeCP2 сообщалось у пациентов с волчанкой европейского и азиатского происхождения. Генетическая потеря MECP2 была идентифицирована как изменяющая свойства клеток в локусе церулеус, единственном источнике норадренергической иннервации коры головного мозга и гиппокампа. Исследователи пришли к выводу, что "поскольку эти нейроны являются ключевым источником норэпинефрина во всем стволе мозга и переднем мозге и участвуют в регуляции различных функций, нарушенных при синдроме Ретта, таких как дыхание и когнитивные функции, мы предполагаем, что локус церулеус является критической точкой, в которой потеря MECP2 приводит к дисфункции ЦНС", а также корепрессора ядерных рецепторов 1.

The role of MECP2 in disease is primarily associated with either a loss of function (under expression) of the MECP2 gene as in Rett syndrome or in a gain of function (over expression) as in MECP2 Duplication Syndrome. Many mutations have been associated with loss of expression of the MECP2 gene and have been identified in Rett syndrome patients. These mutations include changes in single DNA base pairs (SNP), insertions or deletions of DNA in the MECP2 gene, and changes that affect how the gene information is processed into a protein (RNA splicing). Mutations in the gene alter the structure of the MeCP2 protein or lead to reduced amounts of the protein. As a result, the protein is unable to bind to DNA or turn other genes on or off. Genes that are normally repressed by MeCP2 remain active when their products are not needed. Other genes that are normally activated by MeCP2 remain inactive leading to a lack of gene product. This defect probably disrupts the normal functioning of nerve cells, leading to the signs and symptoms of Rett syndrome. Rett syndrome is mainly found in girls with a prevalence of around 1 in every 10,000; male fetuses with normal karyotypes afflicted with this condition rarely survive to term and if so, usually die shortly after birth. Patients are born with very hard to find signs of a disorder, but after about six months to a year and half, speech and motor function capabilities start to decrease. This is followed by seizures, growth retardation and cognitive and motor impairment. The MECP2 locus is X linked and the disease causing alleles are dominant. Due to its prevalence in females, it has been linked to male lethality, or to a predominant transmission with the paternal X chromosome; nevertheless, in rare cases some males can also be affected by Rett Syndrome. Males with gene duplications of MECP 2 at the Xq28 locus are also at risk for recurrent infections & meningitis in infancy. Mutations in the MECP2 gene have also been identified in people with several other disorders affecting the central nervous system. For example, MECP2 mutations are associated with some cases of moderate to severe X linked mental retardation. Mutations in the gene have also been found in males with severe brain dysfunction (neonatal encephalopathy) who live only into early childhood. In addition, several people with features of both Rett syndrome and Angelman syndrome (a condition characterized by mental retardation, problems with movement, and inappropriate laughter and excitability) have mutations in the MECP2 gene. Lastly, MECP2 mutations or changes in the gene's activity have been reported in some cases of autism (a developmental disorder that affects communication and social interaction). More recent studies reported genetic polymorphisms in the MeCP2 genes in patients with systemic lupus erythematosus (SLE). SLE is a systemic autoimmune disease that can affect multiple organs. MeCP2 polymorphisms have been reported so far in European derived and Asian lupus patients. The genetic loss of MECP2 has been identified as changing the properties of cells in the locus ceruleus, the exclusive source of noradrenergic innervation to the cerebral cortex and hippocampus. Researchers have concluded that "Because these neurons are a pivotal source of norepinephrine throughout the brainstem and forebrain and are involved in the regulation of diverse functions disrupted in Rett syndrome, such as respiration and cognition, we hypothesize that the locus ceruleus is a critical site at which loss of MECP2 results in CNS dysfunction." and Nuclear receptor co repressor 1.

MeCP2 и гормоны

MeCP2 в развивающемся мозге крысы регулирует важные аспекты социального развития полово-специфическим образом. Уровни MeCP2 различаются у самцов и самок в развивающемся мозге крысы через 24 часа после рождения в миндалевидном комплексе и гипоталамусе, но эта разница исчезает через 10 дней после рождения. В частности, самцы экспрессируют меньше MeCP2, чем самки, что соответствует периоду чувствительности к стероидам в неонатальном мозге крысы. Снижение уровня MeCP2 с помощью малых интерферирующих РНК (siRNA) в течение первых нескольких дней жизни снижает уровень социального игрового поведения самцов до уровня, типичного для самок, но не влияет на игровое поведение самок. MeCP2 играет важную роль в организации поведения, связанного с гормонами, и половых различий в развивающемся миндалевидном комплексе крысы. MeCP2, по-видимому, регулирует продукцию аргинин-вазопрессина (AVP) и андрогенных рецепторов (AR) у самцов крысы, но не у самок. Вазопрессин известен своей ролью в регуляции многих социальных поведенческих реакций, включая формирование парных связей и социальное узнавание. Хотя у самцов крысы обычно более высокие уровни вазопрессина в миндалевидном комплексе, снижение уровня MeCP2 в течение первых 3 дней жизни вызывает устойчивое снижение уровня вазопрессина до уровня, типичного для самок, в этой области мозга, которое сохраняется во взрослом возрасте. У самцов крыс с пониженным уровнем MeCP2 также наблюдается значительное снижение уровня AR через две недели после введения, но этот эффект исчезает к взрослому возрасту.

Стресс в раннем возрасте

MeCP2 контролирует реакцию на стресс в раннем возрасте. Стресс в раннем возрасте коррелирует с гиперфосфорилированием белка MeCP2 в паравентрикулярном ядре гипоталамуса. Это приводит к снижению связывания MeCP2 с промоторной областью гена AVP и, следовательно, к повышению уровня AVP. Вазопрессин – ключевой гормон, участвующий в гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системе, нейронной сети мозга, регулирующей обработку и реакцию на стресс. Снижение функциональности белка MeCP2, таким образом, усиливает нейронную реакцию на стресс.