Die Reduzierung der miRNA-Spiegel hilft bei der Behebung von Gefäßdefekten beim Rett-Syndrom

MIT-Forscher haben herausgefunden, dass zwei häufige genetische Mutationen, die das Rett-Syndrom verursachen, jeweils eine molekulare Kette von Ereignissen auslösen, die die strukturelle Integrität der sich entwickelnden Gehirnblutgefäße beeinträchtigen und sie undicht machen. Die Studie führt das Problem auf die Überexpression einer bestimmten microRNA (miRNA-126-3p) zurück und zeigt, dass die Reduzierung der miRNA-Spiegel dazu beiträgt, den Gefäßdefekt zu beheben.

Das Rett-Syndrom ist eine schwere Entwicklungsstörung, die sowohl das Gehirn als auch den Körper betrifft. Sie wird durch verschiedene Mutationen im weit verbreiteten MECP2-Gen verursacht, die ersten Symptome treten jedoch erst bei betroffenen Kindern (meist Mädchen) im Alter von 2 bis 3 Jahren auf. Da dies ein kritischer Zeitpunkt in der Entwicklung der Blutgefäße des Gehirns ist, haben Neurowissenschaftler am Picower Institute for Learning and Memory am MIT eine Studie gestartet, um zu modellieren, wie zwei häufige, aber unterschiedliche MeCP2-Mutationen die Gefäßentwicklung beeinflussen und zur tiefgreifenden neurologischen Pathologie der Krankheit beitragen können.

Zur Durchführung der veröffentlichten Forschung Molekulare PsychiatrieDer Hauptautor und Forschungswissenschaftler Tatsuya Osaki und der leitende Autor Mriganka Sur entwickelten fortschrittliche menschliche Gewebekulturen, um die Gefäßentwicklung mit und ohne MeCP2-Mutationen zu modellieren. Die Kulturen ermöglichten es ihnen nicht nur, die Auswirkungen der Mutationen auf die Gefäße zu modellieren und genau zu beobachten, sondern ermöglichten ihnen auch, die beobachteten Probleme molekular zu analysieren und dann eine Intervention zu testen, die half.

Es wurde gezeigt, dass microRNAs beim Rett-Syndrom eine Rolle spielen, aber jetzt zu zeigen, dass miRNA-126-3p tatsächlich stromabwärts von MeCP2 liegt und direkt an der Funktionsstörung der Endothelzellen beteiligt ist, ist ein wichtiger Teil des Rett-Syndrom-Puzzles.“

Mriganka Sur, Newton-Professorin für Neurowissenschaften am Picower Institute und der Abteilung für Gehirn- und Kognitionswissenschaften des MIT

Bau von Schiffen und Erkennen von Lecks

Aufbauend auf jahrelanger Erfahrung im Tissue Engineering, einschließlich seiner Zeit als Postdoktorand im Labor des Mitautors und MIT-Professors für Maschinenbau und Biotechnik Roger D. Kamm, baute Osaki „dreidimensionale mikrovaskuläre Netzwerke“ unter Verwendung humaner induzierter pluripotenter Stammzellen (iPS-Zellen) auf, die von Patienten mit Rett-Syndrom gespendet wurden. Die gespendeten Zellen wurden zu Stammzellen und dann zu Endothelzellen (dem Rückgrat der Blutgefäße). Eingebettet in ein Gel und vermischt mit Fibroblastenzellen organisierten sich die Endothelzellen selbst zu Röhrennetzwerken, die Osaki dann an Mikrofluidik anschloss, um die Zirkulation zu gewährleisten.

Ein Satz Kulturen enthielt die Mutation R306C. Osaki schuf ein Kontroll-Mikrogefäßsystem, das genetisch identisch war, außer dass es die Mutation nicht aufwies. Ein anderer Satz Kulturen wies die R168X-Mutation auf. Und wieder kombinierte Osaki dies mit einer Kontrollkultur, die bis auf die Mutation unter Verwendung von CRISPR identisch war.

Das Forschungsteam habe sich für diese beiden Mutationen entschieden, weil sie jeweils relativ häufig seien, sich aber unterschiedlich auf das MeCP2-Gen auswirken, sagte Sur. Die Feststellung, dass jede dieser unterschiedlichen Rett-verursachenden Mutationen letztendlich zu einer Hochregulierung von miRNA-126-3p und einer Untergrabung der Blutgefäßintegrität führte, legt nahe, dass Gefäßprobleme tatsächlich ein zentrales Merkmal der Krankheit sind.

„Diese Mutationen haben etwas gemeinsam“, sagte Sur.

Labortests zeigten insbesondere, dass die Gefäße, die beide Mutationen enthielten, eine verringerte Expression eines Proteins namens ZO-1 zeigten, das entscheidend dafür ist, dass die Verbindungen zwischen Endothelzellen in Blutgefäßen einen dichten Verschluss bilden (wie die Fugenmasse in einem Fliesenboden). Auch ZO-1 konnte diese Kreuzungen nicht lokalisieren. Tatsächlich zeigten weitere Tests, dass die Rett-Mutationsgefäßkulturen im Vergleich zu den Kontrollen relativ undicht waren.

Ähnliche Mängel wurden in einer anderen vom Team erstellten Zellkultur deutlich, in der sie Astrozytenzellen hinzufügten, um die Blut-Hirn-Schranke (BBB) ​​noch genauer zu simulieren, die streng reguliert, was in die Blutgefäße und in das Gehirn hinein oder aus ihnen heraus gelangen kann. Es wird allgemein vermutet, dass BHS-Probleme zu neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, Huntington, ALS und frontotemporaler Demenz beitragen.

Um einen Einblick zu erhalten, wie die Gefäßprobleme die Nervenfunktion beim Rett-Syndrom beeinträchtigen könnten, setzten die Forscher Neuronen dem Medium aus ihren Rett-Gefäßkulturen aus. Diese Nervenzellen zeigten eine verminderte elektrische Aktivität, ein mögliches Zeichen dafür, dass Sekrete aus den Rett-Endothelzellen die Neuronen zerstörten.

Einen Täter fangen

Im Allgemeinen besteht die Aufgabe von MeCP2 darin, die Expression anderer Gene zu unterdrücken. Die Wissenschaftler erwarteten daher, dass eine Beeinträchtigung von MeCP2 durch Mutationen zu einer Überexpression vieler Gene führen würde. Dennoch wurde ZO-1 herunterreguliert. Dafür musste irgendetwas verantwortlich sein, und miRNAs seien ein Verdacht, sagte Osaki, weil sie als Regulatoren der Genexpression fungieren.

„Deshalb stellten wir die Hypothese auf, dass wir einen Vermittler zwischen der MeCP2-Mutation und der Herunterregulierung von ZO-1 und der Erhöhung der BHS-Permeabilität haben sollten“, sagte Osaki. „Wir haben uns auf die microRNAs konzentriert.“

Tatsächlich fanden die Wissenschaftler durch Profilierung der miRNAs in den Rett-Kulturen und den Kontrollen heraus, dass miRNA-126-3p überexprimiert war. Und durch die Sequenzierung der RNA identifizierte das Team weitere molekulare Wege, die zur Unterstützung der Gefäßintegrität erforderlich sind und in den Rett-Kulturen fehlreguliert waren.

Während die Sequenzierung und das Profil die Hochregulierung von miRNA-126-3p mit der veränderten molekularen Ereigniskette in Verbindung brachten, suchten Osaki und Sur nach eindeutigeren Beweisen. Um es zu erhalten, behandelten sie die Rett-Mutationskulturen mit einem „Antisense“ – einem Molekül, das die miRNA-126-3p-Spiegel senkt. Dies führte zu einer Erhöhung der ZO-1-Expression und einer teilweisen Wiederherstellung der Barrierefunktion der Endothelzellen – was zu einer geringeren Undichtigkeit führte – in den Gefäßkulturen. Durch die Unterdrückung der miRNA-Expression wurden auch die von den Wissenschaftlern verfolgten molekularen Pfade in gesündere Zustände wiederhergestellt.

Es stellt sich heraus, dass es ein Medikament namens miRisten gibt, das miR-126 hemmt und klinisch auf Leukämie getestet wird. Osaki und Sur sagen, dass sie planen, es Mäusen zu verabreichen, die das Rett-Syndrom modellieren, um zu sehen, ob es ihnen hilft.

Neben Osaki, Sur und Kamm sind Zhengpeng Wan, Koji Haratani, Ylliah Jin, Marco Campisi und David Barbie die Co-Autoren des Artikels.

Die Finanzierung der Studie erfolgte unter anderem durch die National Institutes of Health, ein MURI-Stipendium, die Freedom Together Foundation und das Simons Center for the Social Brain.

Quellen: