Mutations in the gene coding for the methyl-CpG binding protein 2 (MECP2) cause a severe form of mental retardation known as Rett syndrome. Almost exclusively girls are affected by this disease. The first mutations in the X-chromosomal gene MECP2 have been described in 1999, but the molecular mechanisms underlying the disorder are still unknown. MECP2 can act as a transcriptional repressor and only two neuronal target genes (Bdnf and Dlx5) have been identified so far. While MECP2 is expressed ubiquitously, the phenotype of the disease is primarily neuronal. This suggests that MECP2 has an important function in the brain, whereas, in peripheral tissues, loss of function of MECP2 might be compensated by functionally redundant proteins. To find proteins that could potentially mediate such a compensation, two strategies were applied. In a first project, a bioinformatics approach was used to find additional polypeptides that contain an methyl-CpG binding domain (MBD), the domain of MECP2 which binds to methylated CpGs. Six new such proteins could be detected and were studied for their expression and domain structure. A second project aimed at identifying proteins with an overall amino acid similarity to MECP2. Such proteins could point to additional, so far unknown functions of MECP2. Two proteins were identified by database screens and their properties are discussed in this thesis. The structure of one of them, the neurofilament NEFH, suggests that MECP2 has an elongated shape. To elucidate the target genes of MECP2 in the brain, chromatin immunoprecipitation (ChIP) was established and combined with a cDNA microarray approach. An animal model for Rett syndrome was used for this analysis. The microarray experiment showed, that Mecp2-null animals differentially express several genes that are induced during stress response by glucocorticoids. Increased levels of mRNAs for plasma glucocorticoid-inducible kinase 1 (Sgk) and FK506-binding protein 51 (Fkbp5) were observed. Immunohistochemistry revealed, that in mouse brains Mecp2 and Fkbp5 as well as Sgk are expressed in the same cells. These results suggests a modulating function of MECP2 in gene expression regulation rather than a total repression since the transcriptional repressor MECP2 and its target genes are expressed in the same cells. In Fkbp5, three MECP2-binding regions could be determined by ChIP. One of the regions is also a target site for the glucocorticoid receptor (GR). Therefore a model can be proposed in which MECP2 and GR compete for a binding site in Fkbp5 and regulate its transcription. In Rett patients this regulation would be disturbed due to the loss of function of MECP2 leading to a constant overexpression of glucocorticoid pathway downstream targets and potentially to several features of the Rett syndrome phenotype.
Rett Syndrom, eine schwere Form der geistigen Behinderung, wird durch Mutationen in dem X-chromosomalen Gen des Methyl-CpG bindenden Proteins 2 (MECP2) verursacht und kommt fast ausschließlich bei Mädchen vor. Mutationen in MECP2 wurden erstmals 1999 beschrieben, die molekularen Mechanismen, welche der Krankheit zugrunde liegen, sind bisher aber unbekannt. Eine bekannte Funktion von MECP2 ist die der Transkription-Repression. Lediglich zwei neuronale Zielgene (Bdnf und Dlx5) wurden jedoch bisher beschrieben. Obwohl MECP2 ubiquitär exprimiert ist, besteht bei Rett Syndrom Patienten ein primär neuronaler Phänotyp. Diese Beobachtung lässt die Vermutung zu, dass MECP2 im Gehirn eine wichtige Funktion erfüllt, während in peripheren Geweben der Funktionsverlust von MECP2 durch ein funktionell redundantes Protein kompensiert werden könnte. Um Proteine zu finden, die eine solche kompensatorische Funktion übernehmen könnten, wurden zwei Strategien angewandt. Im ersten Projekt wurde mit bioinformatischen Mitteln nach Proteinen gesucht, die ebenso wie MECP2 eine methyl-CpG bindende Domäne (MBD) besitzen. Sechs solcher Proteine wurden gefunden und auf ihre Expression und Domänenstruktur hin untersucht. Das zweite Projekt zielte darauf ab, Proteine zu identifizieren, die eine globale Ähnlichkeit zu MECP2 aufweisen. Solche Proteine sollten Rückschlüsse auf die Form und eventuell sogar auf bisher unbekannte Funktionen von MECP2 zulassen. Zwei solche paralogen Polypeptide wurden gefunden und die Struktur eines dieser, NEFH, lässt vermuten, dass MECP2 eine längliche Form hat. Der Sequenzvergleich zwischen NEFH und MECP2 deutet zudem auf eine potentielle Phosphorylierungsstelle in MECP2 hin. Um Zielgene von MECP2 im Gehirn zu finden, wurde die Chromatinimmunpräzipitation (ChIP) etabliert und mit cDNS-Mikroarray Untersuchungen eines Mausmodells für Rett Syndrom kombiniert. Die Auswertung der Mikroarray-Daten zeigte, dass in diesen Tieren mehrere Gene differenziell exprimiert sind, die normalerweise während der Stressanwort durch Glukokortikoide reguliert werden. Erhöhte mRNS-Werte konnten für die "Plasma Glukokortikoid-induzierbare Kinase 1" (Sgk) sowie für das "FK506-bindende Protein 51" (Fkbp5) nachgewiesen werden. Durch Immunfärbung histologischer Gehirnschnitte, konnte gezeigt werden, dass Mecp2 und Fkbp5 sowie Sgk in denselben Zellen des Gehirns synthetisiert werden. Dies legt nahe, dass MECP2 eher eine Modulation der Expression bewirkt, als eine komplette Repression. Mittels ChIP konnten drei Bindungsstellen von MECP2 in der genomischen Region von Fkbp5 gefunden werden. Eine dieser Bindungsstellen kann zudem auch vom Glukokortikoid-Rezeptor (GR) gebunden werden. Aufgrund dieser Ergebnisse wurde eine Hypothese formuliert, nach der MECP2 und GR um die Bindung an eine Region im Fkbp5 Gen konkurrieren und beide die Expression von FKBP5 regulieren. In Rett Syndrom Patienten ist diese Regulation auf Grund des Funktionsverlusts von MECP2 gestört. Dies würde zu einer Überexpression von Glukokortikoid- regulierten Genen führen, wodurch mehrere Merkmale des Rett Syndrom-Phänotyps erklärt werden könnten.
