人脑环状RNA/circRNA与神经元身份、与帕金森/阿尔茨海默病等神经精神疾病密切相关

一项对人类脑细胞中环状RNA最全面的分析，表明circRNAs可用于RNA诊断和用于治疗神经系统疾病。研究确定了11,000多个不同的RNA环，分别表征了与帕金森病和阿尔茨海默病有关的脑细胞，让我们对神经细胞身份和功能调节以及神经系统疾病有了新的认识。

　　

布里格姆妇女医院(Brigham and Women's Hospital)是麻省总医院Brigham医疗保健系统的创始成员之一，该医院的研究人员进行了一项新研究，从人类大脑神经元中鉴定出11,000多个不同的RNA环，这些环状RNA表征了与帕金森病和阿尔茨海默病有关的脑细胞。他们的研究结果发表在《Nature Communications》杂志上。

研究背景

最初被当作垃圾“junk”的非编码RNA们纷纷“变废为宝”先后成为研究热点。环状RNA也重新成为一种日益被关注的、尚未被深入探索的RNA类。环状RNA由下游剪接供体位点与上游剪接受体位点的“反向剪接”产生，circRNA缺乏聚腺苷化的尾部，比mRNAs更不容易被外切酶降解。稳定的圆形转录本的半衰期(18.8 ~ 23.7 h)比线性转录本的半衰期(4.0 ~ 7.4 h)长得多，circRNA在突触和大脑中显著富集提示可能在终末分化神经元中积累有特定作用，可能与神经元发育和衰老有关；还有线索指向环状RNA与神经退行性疾病和精神疾病有关。

人脑中的高性能神经元在功能和形态上都是“特化”以执行其特定功能的。中脑的多巴胺神经元控制运动、情绪和动机，而颞叶皮层的锥体神经元在记忆和语言方面发挥重要作用。与之对应的，多巴胺神经元在帕金森病中优先丢失，而锥体神经元在阿尔茨海默病中优先受到影响。这就提出了一个核心问题：人类基因组是如何规划神经元多样性的?

大脑富集的环状RNA与这些神经元的身份、它们的特殊突触和疾病易感性是否有关？早期的研究主要在大块组织中检测环状RNA而缺乏细胞分辨率，可标准的单细胞测序方法仅限于线性RNA。最近的一项研究表明，通过分析公开的全长、单细胞RNAseq数据，包括人脑(如胶质母细胞瘤)和类器官样本，环状RNA可能在抑制性和兴奋性神经元中显示细胞特异性表达模式。

研究亮点

文章作者使用激光捕获RNA测序，结合超深度测序的多聚腺苷化和非多聚腺苷化RNA与光镜提供的细胞型富集，提供了两种典型类型神经元——多巴胺和锥体神经元中的环状RNA的全面清单。他们发现，circRNA的产生与神经元细胞的身份密切相关，并与帕金森病、阿尔茨海默病和其他神经精神疾病的基因位点密切相关。

文章通讯作者Clemens Scherzer博士和同事们开发了激光捕获RNA测序(lcRNAseq)，用激光捕获显微解剖的方法进行细胞富集，对去核糖总RNA进行深度测序。与大多数脑RNAseq研究相比，他们开发的方法不局限于polyA+ mRNA，使他们能够检测非聚腺苷化的RNA，如环状RNA。超深的测序深度可揭示低丰度的RNA。

Scherzer和他的同事用激光从190个冷冻的死后人脑样本中的不同区域捕获2种典型脑细胞(多巴胺神经元和锥体神经元)，以及一些用于比较的非神经元细胞。然后，他们使用超深的总RNA测序来研究在这3种细胞类型的环状RNA序列，通过计算筛选，经过用RNase R处理的RNAseq实验独立验证这些circRNAs，通过分析这些环状RNA的基因组特征，鉴别出在人脑中多巴胺神经元和锥体神经元优先表达的细胞类型特异性环状RNA，表明从3532个基因位点表达的环状RNA而不是线性RNA决定了大脑细胞的多样性和身份。

在作者重点分析的3532个相关基因位点中，有345个基因位点在多巴胺神经元中产生了400个多巴胺特异circRNA、但在锥体神经元和其他非神经元细胞中不产生circRNA；有730个基因位点在锥体神经元中产生1046个细胞特异circRNA但在其他细胞中不产生circRNA；1192个位点在非神经元细胞中产生特异的2222个circRNA而在两种神经元中不产生circRNA；也有一些“超级位点”在不同细胞中产生不同的细胞特异circRNA组合，比如有306个位点在多巴胺神经元中产生478个多巴胺特异性circRNA，在锥体神经元中产生751个锥体神经元特异性circRNA，在非神经元细胞中产生988种非神经元circRNA反向剪接变体，有269个基因位点会产生437种多巴胺特异circRNA和731种锥体神经元特异circRNA但在非神经元细胞中不产生circRNA，参见图片。

令人惊讶的是，从这些相同基因位点转录的线性RNA(如mRNA和长链非编码RNA)的表达谱不符合细胞类型特异性标准，线性转录物的细胞特异性评分明显低于环状RNA。circRNAs的细胞类型特异性不能用相应位点的线性mRNA丰度来解释。作者认为，circRNA多样性可提供精细调整的细胞类型特异性信息，而这些信息不能由来自相同位点的相应线性RNA来解释，因此，这些基因位点产生的circRNA组合能够用来定义（defined）细胞的多样性和身份，而对应的线性RNA则不能。

作者进一步分析表明，细胞类型特异性的神经元circRNA产生聚集在突触功能和神经元投射位点（neuronal projection loci）周围，而在非神经元细胞circRNA产生聚集在细胞周期位点周围。因此，多巴胺神经元与锥体神经元中产生细胞类型特异性circRNA的基因位点实际上代表了类似的突触和神经元投射相关途径，这种神经元特异性circRNA主要通过突触机制表达。此外，神经元circRNAs与神经精神疾病有关，甚至与疾病进程可能关联。

circRNA的数量和多样性为在人类脑部疾病中积极表达的非编码RNA增加了一类新的成分。事实上，有理由假设，这类非编码RNA调控网络可能是人类脑细胞异常多样性和表现的主要原因。（而人类基因组中蛋白质编码基因数量少得令人奇怪，甚至比线虫基因组中的蛋白质编码基因也多不了多少）。环状RNA主要在人类多巴胺和锥体神经元的突触位点上表达，提出了一种可能性，即它们在人类神经元网络的突触功能中编码了迄今未知的重要功能，这些功能控制着典型的人类体验：如精细运动、动机、奖励和高级皮层功能。

重要的是，61%的突触circRNA与脑部疾病有关。突触功能障碍——可能是这些神经退行性疾病和神经精神疾病的早期缺陷之一。疾病相关的circRNA表达在一定程度上显示了细胞类型偏差的证据：成瘾相关基因在多巴胺神经元中显著表达circRNA，自闭症基因在锥体神经元中主要表达circRNA，帕金森病相关基因座在非神经元细胞和神经元中高度表达circRNA。可以假设circRNAs可能作为精细调谐的，特殊用途的RNA载体，用于细胞类型特异性突触的组装，并且它们的失调可能导致突触病变。控制细胞类型特异性环状RNA生物发生的机制可能涉及RNA结合蛋白的亚群。要充分阐明环形和同源线性RNA生物发生的动力学和关系，所涉及的调节因子，以及揭示这种复杂的RNA机制如何指定神经元身份和突触，还需要做更多的工作。总体来说，这项研究提供了两种主要类型的人脑神经元中circRNA的独特目录，这将对神经精神疾病的基因组功能解码和推进新兴的RNA药物和诊断领域普遍有用。

“环状RNA长期以来一直被视为垃圾，但我们相信它在人类脑细胞和突触的编程中发挥着重要作用，”通讯作者Clemens Scherzer博士说，他是布莱格姆神经内科和美国帕金森病协会高级帕金森研究中心的医学博士。“我们发现这些环状RNA是由脑细胞大量产生的，包括那些与帕金森病和阿尔茨海默病有关的细胞。”“自然产生的环状RNA有潜力作为与疾病早期前驱阶段有关的特定脑细胞的生物标志物，环状RNA不容易被分解，这使它们成为报告者和提供治疗的强大工具。它们可以被合成重写，并作为未来的数字RNA药物加以利用。”

“令人惊讶的是，由这些基因位置产生的环状RNA而不是线性RNA定义了神经元的身份，”该研究的第一作者、布里格姆大学神经病学和基因组学与生物信息学中心助理教授Xianjun Dong博士说。“circRNA多样性提供了精细调整的细胞类型特异性信息，而这些信息不能由来自同一基因的相应线性RNA来解释。”“环状RNA的发现改变了我们对神经退行性疾病背后分子机制的理解，”董说。“环状RNA比线性RNA更持久，有望成为RNA疗法和RNA生物标志物。”

这些多巴胺和锥体神经元的退化在神经系统疾病的发展中起着关键作用。当研究人员进一步研究这种联系时，他们发现大量的帕金森氏症和阿尔茨海默氏症基因产生环状RNA。例如，在帕金森病症状出现之前，在易感多巴胺神经元中一种由帕金森病基因DNAJC6产生的环状RNA的表达就已经减少了。研究小组发现，与不同疾病相关的基因在特定的细胞类型中产生环状RNA。例如，成瘾相关基因在多巴胺神经元中产生环状RNA，自闭症相关基因在锥体神经元中产生环状RNA，癌症相关基因在非神经元细胞中产生环状RNA。

这个研究的局限性包括未能揭示这种复杂的RNA机制如何指定神经元和突触身份。未来的研究可以调查这些环状RNA的产生和功能，并调查控制其行为的其他遗传调控因子。无论如何，研究结果提供了迄今为止对人类脑细胞中环状RNA最全面的分析，并表明它们可以用于RNA诊断和用于治疗神经系统疾病的药物。