レット症候群の原因解明に新たな知見

レット症候群は、現在までに有効な治療法や治療法がない、まれな神経発達障害です。重度の身体症状と認知症状を引き起こし、その多くは自閉スペクトラム症と重複します。

レット症候群は、脳内で高発現し、ニューロンの健康維持に重要な役割を果たすと考えられているMECP2遺伝子の変異によって引き起こされます。この遺伝子はX染色体上に存在し、レット症候群は主に女児に発症します。レット症候群の治療法開発のため、研究者たちはMECP2とその脳内での機能をより深く理解したいと考えています。

ホワイトヘッド研究所の共同設立者であるルドルフ・イェーニッシュ氏をはじめとする研究者たちは、数十年にわたりMECP2遺伝子を研究してきましたが、この遺伝子に関する多くの基本的な事実は未解明のままでした。この遺伝子によってコードされるタンパク質であるMECP2は、遺伝子制御に関与しており、DNAに結合して他の様々な遺伝子の発現レベル、あるいはそれらが産生するタンパク質の量に影響を与えます。

しかし、研究者たちは MECP2 の影響を受ける遺伝子の完全なリストを持っておらず、MECP2 がこれらの遺伝子にどのような影響を与えるかについては合意がありませんでした。

MECP2の初期研究では、標的遺伝子の発現を抑制する抑制因子として作用すると示唆されていましたが、Jaenischらによる研究では、MECP2は標的遺伝子の発現を増加させる活性化因子としても作用することが既に示されており、そもそも活性化因子である可能性も示唆されていました。また、MECP2の作用機序、すなわちこのタンパク質が遺伝子発現の変化を引き起こすために具体的にどのような働きをするのかも不明でした。

技術的な限界により、研究者たちはこれらの疑問を解明することができていません。しかし、ヤニッシュ氏、彼の研究室のポスドクであるイー・リウ氏、そしてヤニッシュ氏の元研究室メンバーで、現在はモントリオール大学サントジュスティーヌ医学大学院研究センターの助教授を務めるアンソニー・フラミエ氏は、最先端の技術を駆使してMECP2に関する未解明の疑問に答え、脳の健康と疾患におけるその役割について新たな知見を得ています。

彼らの研究結果はニューロン誌に掲載され、研究者らは他の研究者のためのリソースとして、MECP2データのオンラインリポジトリであるMECP2-NeuroAtlasポータルも作成しました。

「この論文は、MECP2がレット症候群を引き起こす仕組みについての人々の理解を根本的に変えるものになると思います。私たちはそのメカニズムについて全く新しい理解を得ており、この疾患の治療法開発への新たな道筋を示す可能性があります」と、MITの生物学教授でもあるヤニッシュ氏は述べている。

脳内のMECP2のより深い理解

研究者らはまず、ヒト神経細胞の遺伝子配列においてMECP2が結合する場所（遺伝子内または遺伝子近傍のDNA調節領域）の詳細な地図を作成した。研究チームは、タンパク質とDNAの相互作用を高精度に特定できるCUT&Tagと呼ばれる手法を用いた。

研究者らは、MECP2に関連する遺伝子を4,000個以上発見しました。レット症候群に共通するMECP2変異を持つニューロンにおいてマッピングを繰り返し、病態におけるMECP2の枯渇部位を特定しました。

MECP2がどの遺伝子に結合するかを知ることで、リュー氏とフラミエ氏はMECP2の標的と脳の健康状態との関連性を解明し始めることができました。彼らは、その標的の多くが神経細胞の軸索とシナプスの発達と機能に関与していることを発見しました。

また、研究チームは MECP2 ターゲットのリストを、自閉症関連遺伝子のサイモンズ財団自閉症研究イニシアチブ (SFARI) データベースと比較し、そのデータベース内の 381 個の遺伝子が MECP2 ターゲットであることを発見しました。

出典: Neuron (2024). DOI: 10.1016/j.neuron.2024.04.007

これらの発見は、レット症候群における自閉症症状の根底にあるメカニズムの解明に役立ち、自閉症における MECP2 の可能性のある役割を調査するための良い出発点となる可能性があります。

「私たちは、健康と疾患におけるMECP2エピゲノムの統合マップを初めて作成しました。このマップは将来の研究の指針となるでしょう」とリュー氏は述べます。「どの遺伝子がMECP2の標的であり、どの遺伝子が疾患において直接阻害されるかを知ることは、レット症候群を理解し、ニューロンにおける遺伝子制御について疑問を投げかけるための確固たる基盤となります。」

研究者らは、MECP2が標的遺伝子の発現を増加させるのか減少させるのかについても調べた。MECP2はこれまで活性化因子と抑制因子の2つの役割を担うとされてきたが、Liu氏とFlamier氏はその両方を担う例を発見した。

しかし、MECP2は抑制因子として考えられていることが多いものの、Liu氏とFlamier氏は、MECP2が主に活性化因子であることを発見しました。これは、Jaenisch氏とLiu氏による以前の研究結果を裏付けるものです。ある新たな実験では、MECP2が少なくとも80%の標的を活性化することが示され、別の実験では最大88%の標的を活性化することが示されました。

研究者らが作成した標的遺伝子マップは、MECP2の活性化因子としての役割について更なる知見を提供した。MECP2が活性化する遺伝子については、典型的には転写開始部位と呼ばれる遺伝子上流のDNA領域に結合することがわかった。

これは細胞機構が遺伝子をRNAに転写するプロセスを開始する部位であり、その後RNAは機能的なタンパク質へと翻訳され、これが遺伝子発現の産物となります。遺伝子発現が始まる転写開始部位にMECP2が存在することは、遺伝子活性化因子としての役割と一致しています。

研究者たちは次に、MECP2が遺伝子活性化においてどのような役割を果たしているかを解明しようと試みました。DNAに加えて、この部位でMECP2がどのような分子に結合するかを調べ、MECP2がRNAポリメラーゼII（RNAポリメラーゼII）と呼ばれるタンパク質複合体と直接相互作用することを発見しました。RNAポリメラーゼIIは、DNAをRNAに転写する重要な細胞内機構です。RNAポリメラーゼIIは単独では遺伝子を見つけることができないため、その働きを助けるために様々な補因子、つまりタンパク質の協力者を必要とします。

研究者らは、MECP2がそのような補因子の一つとして機能し、RNAポリメラーゼIIが結合する遺伝子において転写を開始するのを助けると提唱している。MECP2の構造解析により、RNAポリメラーゼIIに結合する分子部位が特定されており、他の実験では、MECP2の欠損により、適切な転写開始部位におけるRNAポリメラーゼIIの存在と標的遺伝子の発現レベルが低下することが確認されている。

このことから、レット症候群は、MECP2の変異によってRNAポリメラーゼIIへの結合やDNAへの結合が阻害され、MECP2が標的とする遺伝子の転写が減少することで引き起こされる可能性が示唆されます。この考えと一致して、疾患に関連する最も一般的なMECP2変異は、タンパク質の一部が欠損したトランケーションであり、MECP2とRNAポリメラーゼIIの相互作用を変化させる可能性があります。

研究者たちは、今回の発見によって MECP2 に関する理解が変わるだけでなく、MECP2 が脳の発達と機能にどのように影響するかについてより深く広く理解することで、レット症候群や自閉症などの関連障害を持つ人々を助ける新たな洞察が得られることを期待しています。

「このプロジェクトは、ヤニッシュ研究室の協調性を示す素晴らしい例です」とフラミエ氏は語る。「ルドルフと私はレット症候群に関連した特定の問題を抱えており、私はCUT&Tag技術の経験があり、その問題を解決できると考えました。議論を重ねる中で、私たちはそれぞれの研究成果を結集できると気づき、今ではMECP2と疾患との関連性に関する優れた情報リポジトリを構築しています。」