Die Power der Drei
von Carol Morton | 17. April 2020
Eines Tages grübelte Michael Greenberg über die vielen unbeantworteten Fragen nach, wie die Fehlfunktion des MeCP2-Proteins im Gehirn das Rett-Syndrom verursacht, eine Autismus-Spektrum-Störung, von der 1 von 10.000 Mädchen und viel seltener Jungen betroffen sind.
„MeCP2 erwies sich als schwieriger als alles, was mir bisher begegnet war“, sagt Greenberg, Neurobiologe an der Harvard Medical School. „Das Problem war zu komplex, um es in einem Labor allein zu lösen“, sagt Greenberg. Wir werden nicht herausfinden, wie wir es lösen können, wenn wir nicht wissen, wie es funktioniert.
Im ganzen Land und auf der ganzen Welt untersuchten Dutzende von Forschungsteams MeCP2 und das Rett-Syndrom und berichteten auf Tagungen und in wissenschaftlichen Zeitschriften über wichtige Ergebnisse. Doch die Fortschritte kamen nur langsam voran, um wesentliche Lücken im Grundwissen zu füllen.
So begann Greenberg 2010 Gespräche über eine neue Vorgehensweise. Er setzte sich mit Monica Coenraads, der Geschäftsführerin des Rett-Syndrom-Forschungsfonds (RSRT), in Verbindung und schlug einen neuen Rahmen für die Zusammenarbeit vor, um die Suche nach erfolgreichen Therapien zu unterstützen, indem die molekulare Rolle von MeCP2 für die Gehirnfunktion besser verstanden werden könnte. Für Coenraads, Elternteil einer damals jugendlichen, durch das Rett-Syndrom schwer behinderten Tochter, der die Vereinbarung vermittelte, war dies sinnvoll.
Ein Jahr später schloss sich Greenbergs Gruppe in Boston offiziell mit den Laboratorien von Adrian Bird an der Universität von Edinburgh, Schottland, und Gail Mandel an der Oregon Health Science University in Portland zusammen, um das MeCP2-Konsortium zu bilden. Die drei Laboratorien, 3.000 Meilen östlich und westlich gelegen, waren sich einig in der Überzeugung, dass das Verständnis der normalen Rolle von MeCP2 für die Entwicklung von Therapien für das Rett-Syndrom von entscheidender Bedeutung ist und dass eine Zusammenarbeit eher dazu beiträgt, dass dies schneller geschieht.
Zehn Jahre später haben gemeinsame Studien der drei Labors das wissenschaftliche Verständnis der Funktion von MeCP2 umgestaltet. Ihre gemeinsamen Anstrengungen geben neue Impulse für mögliche Behandlungsstrategien. Tatsächlich hat der Ansatz des Konsortiums in allen ihren Labors einige Arbeiten in Richtung auf translationale Experimente angestoßen, die notwendig sind, um ihre grundlegenden Entdeckungen in Richtung klinische Entwicklung voranzutreiben.
Das Modell des Konsortiums hat ihre Experimente rigoroser gemacht und fruchtbare neue Richtungen aufgezeigt, sagen die drei leitenden Forscher. Für die Postdoc-Stipendiaten hat das Konsortium die Ausbildung bereichert, ein stärkeres Netz von beruflichen Verbindungen aufgebaut und einen hohen Standard für ihre unabhängige wissenschaftliche Laufbahn gesetzt.
Als es begann, war das Konsortium ein Vertrauensvorschuss für jedes Labor. Sie kamen überein, sich zweimal im Jahr in Boston zu treffen – auf halbem Weg zwischen Edinburgh und Portland – und dazwischen regelmäßige Telefonkonferenzen abzuhalten. Die Forscher legen frühe Ergebnisse offen und diskutieren ihre Ideen in der Entstehungsphase, lange bevor die Wissenschaftler ihre Daten normalerweise an Kollegen außerhalb ihrer Labors weitergeben.
„Man muss lernen, diese Dinge zu teilen“, sagt Bird. „Ich war schon immer ein ziemliches Plappermaul, was unsere Forschung betrifft, aber das ist etwas anderes als zu sagen, was wir als Nächstes tun werden. Am Ende hat die Bündelung unserer Ideen das Feld wirklich beschleunigt.
Es gibt noch Fragen zu MeCP2 und seiner Rolle bei Rett, aber die Konsortialführer haben gesehen, wie sich ein Konsens um ihre neuen Erkenntnisse herum gebildet hat. Ihre Studien zeigen, dass MeCP2 normalerweise wie ein Dämmerungsschalter wirkt, der die Aktivität von Hunderten von Genen in Neuronen nur geringfügig reduziert. MeCP2-Proteine bedecken die DNA in Gehirnzellen, insbesondere die längeren neuronalen Gene. Das Protein heftet sich an Wegweiser der Genaktivität (methylierte DNA). Ein anderer Teil von MeCP2 rekrutiert einen Gen-Silencing-Komplex, der das Zielgen und andere in der Nähe befindliche Gene unterdrückt.
Bei Personen mit Rett-Syndrom beeinträchtigen genetische Mutationen diese beiden eng verwandten Funktionen des MeCP2-Proteins. Auf der Grundlage von Studien aus ihren Labors und anderen, glauben Forscher des Konsortiums und andere Wissenschaftler nun, dass das Versagen von MeCP2, die methylierte DNA zu erkennen oder die Genaktivität zu unterdrücken, eine Hauptursache für Rett ist.
„Was die Wissenschaft betrifft, so hat das Konsortium den Menschen in allen drei Gruppen geholfen, unvoreingenommene Kritik an ihren eigenen Experimenten vor der Veröffentlichung und Vorschläge für neue Experimente zu erhalten“, sagt Mandel.
„Es gibt immer noch Fragen, wie der Mangel an MeCP2 zum Rett-Syndrom führt“, sagen sie. „Gibt es eine MeCP2-Funktion, die wir noch nicht gefunden haben? Oder haben wir genügend Informationen, und es ist, was es ist, dass kleine Veränderungen in der Genexpression die Gesundheit der Zelle destabilisieren und so stark beeinträchtigen, dass sie in einem Kreislauf nicht funktioniert? Wir wollen immer noch wissen, wie viele Zellen wir im Gehirn für einen normalen Phänotyp fixieren müssen. Dies sind Fragen für die Zukunft, die weitere Überlegungen und Experimente erfordern“.
Alle Unsicherheiten und Ängste bezüglich der Risiken der Zusammenarbeit sind längst verschwunden. Die Vorteile kamen bei der ersten Sitzung der drei Arbeitsgruppen zum Tragen, als die Labormitglieder vorsichtig über aufregende neue unveröffentlichte Daten berichteten, die sie vor der Gründung des Konsortiums gesammelt hatten.
„Wir wussten, dass es noch ein oder zwei Jahre dauern würde, bis wir alle Daten, die wir für diese Publikation brauchten, zur Verfügung hatten“, sagte Matt Lyst, der dem Bird-Labor als Postdoc vor der Gründung des Konsortiums beigetreten war. „Zuerst waren wir etwas beunruhigt darüber, alles, was wir wussten, preiszugeben.
Dann erfuhren die Bird- und Greenberg-Labors, dass sie an demselben kleinen Stück des MeCP2-Proteins arbeiteten, aber aus unterschiedlichen Gründen.
„Wir untersuchten die Tatsache, dass dieser Teil des Proteins mit dem NCoR interagiert“, sagt Lyst, der das Projekt im Bird-Labor leitete, „eine molekulare Maschine, die MeCP2 einzieht, um die Genaktivität zu verlangsamen. „Mikes Labor arbeitete aus verschiedenen Gründen an der gleichen Region von MeCP2. Sie hatten festgestellt, dass dieser Teil von MeCP2 phosphoryliert wird, wenn das Neuron abfeuert, und sie fragten sich, was die Phosphorylierung bewirken würde.
Die Postdocs leiteten ihre Projekte weiter und halfen sich gegenseitig hinter den Kulissen. Das Birdlabor verwendete zum Beispiel Mäuse aus dem Greenberg-Labor, die eine spezifische Mutation in dieser Region modellierten. Zwei Jahre später berichtete jedes Labor über seine Ergebnisse in führenden Fachzeitschriften, wobei für beide Arbeiten zusätzliche Koautoren aus beiden Labors herangezogen wurden. Sie fanden heraus, dass bestimmte, das Rett-Syndrom verursachende Mutationen in MeCP2 verhindern, dass es mit NCoR interagiert, und dass MeCP2 normalerweise diese Aktivität reguliert, nachdem es als Reaktion auf neuronale Aktivität phosphoryliert wurde.
Andere Arbeiten sowohl in den Bird- als auch in den Greenberg-Labors zeigten, dass MeCP2 viel weiter an die DNA gebunden ist als ursprünglich dokumentiert. „Die Leute in den Labors initiieren Projekte, die versuchen, etwas Interessantes und Lohnenswertes zu finden und beim nächsten Treffen des Konsortiums vorzustellen, wo sie diskutiert werden, Vorschläge gemacht werden und die Leute einen etwas anderen Weg nach vorn einschlagen“.
Einige Jahre zuvor hatten Bird und seine Kollegen die Sicht auf das Rett-Syndrom völlig verändert, indem sie die Rett-Symptome in Modellen erwachsener Mäuse durch Wiederherstellung der MeCP2-Funktion umkehrten. Plötzlich wandelte sich die Sichtweise des Rett-Syndroms von einer Entwicklungsstörung zu einer Fehlfunktion reifer Neuronen, was die quälende Frage aufwirft, ob das Rett-Syndrom später im Krankheitsverlauf behandelt werden kann, nachdem Kinder unter den Symptomen leiden.
Die therapeutischen Ziele weiteten sich über die Neuronen hinaus aus, als das Mandel-Labor die durch MeCP2-Fehlfunktionen gehemmten Gehirnzellen erneut untersuchte. Mandel und ihre Postdoc-Stipendiatin Nurit Ballas, die jetzt eine Forschungsgruppe über das Rett-Syndrom an der State University of New York, Stonybrook, leitet, stellten fest, dass MeCP2 auch in normalem Gliagewebe vorkommt, einschliesslich sternförmiger Astrozyten, die die neuronale Funktion unterstützen.
Sechs Jahre später, als Lisa Boxer ihr Postdoc-Stipendium begann, berücksichtigte sie, was sie über die ersten Erfahrungen mit dem Konsortium gehört hatte, zusammen mit ihrem persönlichen Wunsch, an einer neurologischen Störung zu arbeiten, und entschied sich für MeCP2. „Bei den Treffen des Konsortiums sind die Leute bereit, Projekte im Frühstadium vorzustellen, die sehr nützlich sein können, um das, was man tut, zu ändern oder die Richtung zu ändern“, sagt sie.
Das kam bei Boxers Projekt sehr gelegen. MeCP2 dämpft die Genaktivität. Sie wollte wissen, bei welchem Schritt das geschieht. Nach Gabel’s Entdeckung war die vorherrschende Theorie das „Geschwindigkeitsschwellen“-Modell – MeCP2 bremste die Transkription langer Gene, vielleicht an den vielen Stellen, an denen MeCP2 sich eingeklinkt hatte.
„Wir alle dachten, dass es so funktioniert, aber die Experimente aller Beteiligten stimmten nicht mit diesem Modell überein“, sagte Boxer und verwies auf ergänzende Studien in den Labors von Greenberg, Gabel und Bird. „Bei einem Treffen wies Adrian auf ein Papier hin, das er vor 20 Jahren veröffentlicht hatte und das zeigte, dass MeCP2 auf ein Gen aus der Entfernung wirken kann.
Sie warfen einen weiteren Blick auf ihre Daten. Er bestätigte, dass MeCP2 irgendwie auf die Startstelle der Transkription einwirkte, die einzige Stelle, an der es nicht auf dem Gen gefunden werden konnte. Boxer veröffentlichte ihre Ergebnisse im Januar 2020. Die nächste Frage – wie MeCP2 das macht – liegt in den Händen eines anderen Postdoktoranden.
Boxer sagt voraus, dass sich MeCP2 grundlegend von anderen Proteinen unterscheiden wird, die die Genaktivität kontrollieren. „MeCP2 ist ein solches Rätsel“, sagt Boxer. „Niemand kann sich darüber einigen, was genau es bewirkt, und doch ist es eindeutig so wichtig, weil Mutationen darin Rett verursachen. Ich glaube nicht, dass es wie andere Proteine funktioniert.“
Das Konsortium umfasst offiziell drei Labors, aber die Rett-Syndrom-Forschungsgesellschaft (RSRT) ist eine vierte Präsenz. Die Exekutivdirektorin des RSRT, Monica Coenraads, half nicht nur bei der Vermittlung des Konsortiums, sie verband die Idee auch mit einem großen Präsent des RSRT-Vorsitzenden Tony Schoener und seiner Frau Kathy.
Coenraads und die Mitarbeiter des RSRT nehmen an den Sitzungen des Konsortiums teil und tauschen sich mit den Wissenschaftlern aus. Die Forscher des Konsortiums schätzen die Gelegenheit, andere Eltern und die Mädchen zu treffen, deren Bedingungen sie auf molekularer Ebene zu verstehen versuchen.
Diese Interaktionen können wissenschaftliche Früchte tragen. Bei einem Treffen präsentierte Lyst Strukturdaten, um zu erfahren, welche Mutationen die normale Interaktion zwischen dem MeCP2-Protein und dem NCoR-Komplex stören. Er erinnert sich an Coenraads, der darauf hinwies, dass eine Person mit einer spezifischen Mutation im NCoR-Komplex – nicht MeCP2 – ebenfalls eine Rett-Diagnose hatte.
„Dann konnten wir fragen, ob diese Mutation eine Auswirkung auf die NCoR-Bindung an MeCP2 hatte, und fanden einen zwingenden Grund zu der Annahme, dass die Bindung absolut zentral für das Rett-Syndrom war“, sagt Lyst.
Nach einem Jahrzehnt hat sich die Expertise in den Labors des Konsortiums von komplementär zu überlappend entwickelt. Die Forscher in den einzelnen Labors verlassen sich immer noch auf ihre Kollegen, wenn es darum geht, ihre Spezialgebiete ausführlicher zu erklären, aber sie werden vielversprechende Ideen pflegen und verfeinern. Mandel würdigt sowohl die intellektuelle als auch die finanzielle Unterstützung des Konsortiums für ihre Fähigkeit, transformative Arbeiten durchzuführen, die zeigten, dass bestimmte MeCP2-RNA-Mutationen bearbeitet werden konnten.
Trotz all ihrer unterschiedlichen Perspektiven und lebhaften Kritiken können die Forscher des Konsortiums Außenstehenden die wissenschaftlichen Beiträge des jeweils anderen erklären, und sie teilen eine ähnliche Ungeduld, therapeutische Möglichkeiten zu erschließen.
„All diese hektischen Aktivitäten, die darauf abzielen, eine Therapie für Rett zu entwickeln, hängen vom Nachweis ab, dass diese neurologische Störung im Gegensatz zu einigen anderen reversibel ist“, sagt Bird. „Keiner von uns wird glücklich sein, solange wir nicht etwas finden, das einen praktischen Nutzen hat. Ich bin sicher, dass sie heilbar ist, daher ist es zutiefst frustrierend, dass es uns bisher nicht gelungen ist, dies zu erreichen“.