南方医科大学赵存友团队鉴定出精神分裂症相关miRNA 证实miR-501-3p缺失损害社交和记忆能力

【字体: 时间:2022年08月23日 来源:生物通

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  南方医科大学研究人员对精神分裂症不一致的单卵双胞胎进行外周血RNA转录组分析,鉴定出精神分裂症相关的下调microRNA,再用小鼠基因敲除模型验证其缺失产生的影响、恢复表达后的影响,揭示背后的分子调控机制。

  

摘要

精神分裂症是一种多基因疾病,其异质性很可能由于表观遗传修饰而变得复杂。南方医科大学的赵存友教授团队通过对精神分裂症不一致的同卵双胞胎进行外周血RNA转录组分析,鉴定出精神分裂症相关的下调microRNA miR-501-3p。进一步研究发现,在基因敲除miR-501-3p(KO)雄性小鼠中,缺失会导致树突结构缺陷、谷氨酸能传递增强、社交能力和记忆力以及感觉运动门控障碍,当miR-501在神经系统中有条件地恢复表达时,这些损伤就会减弱。结合蛋白质组学分析结果和已知的与精神分裂症相关的基因,发现代谢型谷氨酸受体5(mGluR5)是miR-501-3p的靶点之一,在Mir501-KO小鼠中负向调节mGluR5可改善缺陷小鼠的症状miR-501-3p与谷氨酸能传递调控相关的表观遗传学和病理生理学机制为精神分裂症提供了病因学意义。

背景

精神分裂症是一种复杂的神经精神疾病,有一系列复杂的症状和认知障碍,包括神经回路和突触可塑性的紊乱。虽然精神分裂症的估计遗传率很高(60-80%),但非孟德尔特征包括单卵(MZ)双胞胎的同病率为50%,说明遗传和表观遗传或环境因素之间的相互作用在介导异质性和疾病易感性方面起着重要作用。在过去的几十年里,许多精神分裂症相关的基因变异已经被全基因组关联研究(gwas)所确认。这些变异,每一种都有弱效应,表现出组合遗传模式,可能通过分子网络和相互作用传递疾病的风险。在主要的表观遗传因子中,一类小的非编码RNA分子被称为microRNAs(miRNAs),其长度通常为22个核苷酸,通过碱基配对作用于靶基因,参与转录后抑制或mRNA的失稳。大多数miRNAs在进化上是保守的,以发育和组织特异的方式表达。miRNA调控网络在神经发育和脑生理学中的重要作用已被广泛研究,许多研究表明这些网络在精神分裂症中起着重要作用,为miRNAs在精神分裂症的病因学和病理生理学中的意义提供了依据。多项研究报告指出精神分裂症患者死后的大脑或外周血中有数百个miRNA表达失调;然而只有少数miRNA在啮齿类动物模型中得到验证,其他的多数功能尚不清楚。尽管miRNA在死后大脑中的分布尚待确定,但miRNA表达的变化延伸到大脑以外的区域,可以为精神分裂症提供有用的外周生物标志物。最近的研究发现,血液和大脑在miRNA表达上存在着显著的相关性,支持在外周血转录组中检测与神经功能相关的miRNAs的可行性。鉴于许多miRNAs靶向突触蛋白或调节突触的信号蛋白,加上突触可塑性在认知中的意义、miRNAs(如miR-137)与精神分裂症遗传相关等因素,提升了"miRNAs通过调节突触可塑性而参与精神分裂症的发病机制"的可能性。然而,这一概念需要通过更多的实验来巩固,以验证风险miRNAs的功能。

越来越多的证据表明,谷氨酸受体功能紊乱是精神分裂症病因的关键。谷氨酸受体,包括离子型和代谢型受体,被兴奋性谷氨酸神经递质激活,引起快速兴奋性突触反应。离子型谷氨酸受体,包括N-甲基-d-天冬氨酸受体(NMDARs)、AMPA受体(AMPARs)和kanite受体,是配体门控的阳离子通道。代谢型谷氨酸受体(mGluRs)是由8种mGluR亚型(mGluR1至mGluR8)组成的G蛋白偶联受体。mGluR5可以通过支架蛋白与NMDARs发生物理作用。大量证据表明,mGluR5与学习和记忆密切相关,而这在精神分裂症中也会受到干扰。此外,mGluR5基因中的基因变异与精神分裂症有关、精神分裂症死后脑组织中mGluR5表达上调,提示mGluR5信号的改变可能导致精神分裂症相关的认知功能障碍。

一些研究表明miRNAs通过直接靶向突触受体或其下游靶点,在突触可塑性中发挥调节作用。例如,miR-501-3p已被报道介导AMPAR亚单位GluA1的活性依赖性调节和大鼠树突棘的长期重塑。miR-501-3p也被报道与阿尔茨海默病(AD)患者的认知功能有关,其血清表达水平与对照组相比显著下调,提示它参与认知功能相关的突触可塑性,包括学习和记忆。miRNAs同时调节许多基因的表达并在通路水平上影响突触功能的能力,使得miRNAs在神经精神疾病复杂表型变异的背景下具有潜在的重要意义。然而,由于miRNAs及其靶基因的大量存在,导致其发病和发育的调控分子机制尚不清楚。

研究单卵双生子的表观遗传谱,特别是表型不一致的同卵双生子,是了解遗传和表观遗传或环境因素在调节个体表型差异和疾病易感性方面的相互作用的一个很好的策略。同卵双胞胎在遗传学、年龄、性别、队列效应、母体效应和共同环境方面是完全匹配的。从本质上讲,来自同卵双生子的相同来源的细胞应该具有相同的遗传特征,同卵双生子对中的表观遗传变异表明,表观遗传修饰可能特别容易受到环境影响,特别是在胚胎发育期间。

研究亮点

在这项研究中,作者对精神分裂症不一致(SDC)单卵双生子和健康一致对照(HCC)单卵双胞胎然后,作者在,并以及

为了鉴定与精神分裂症相关的差异表达miRNA(DE-miRNA),作者对来自三对精神分裂症不一致(SDC)单卵双胞胎和四对健康一致对照(HCC)单卵双胞胎的外周血RNA进行小分子RNA测序(sRNA-seq),以筛选精神分裂症相关的差异表达miRNA(DE-miRNAs)。每个样本进行了平均 1200 万个 50 碱基对 (bp) 单端读数的小分子RNA测序。经过进一步分析从15个表达显著差异的DE-miRNA的确定了10个与精神分裂症显著相关,其中5种一致下调,最终结合过往研究报告分析,将后继研究目标锁定在miR-501-3p。

为了在小鼠模型中验证了miR-501-3p的功能,作者构建了Mir501 -KO ( Mir501 fx/y ) 基因敲除小鼠,在没有 Cre 的情况下导致miR-501-3p和miR-501-5p表达的缺陷。他们发现miR-501缺陷的雄性小鼠表现出社交能力、记忆力和感觉运动门控障碍。KO 小鼠的神经元表现为树突复杂性降低和树突生长降低,神经元兴奋性突触传递障碍,海马 DG 区域的总脊柱密度(粗短和蘑菇状脊柱类型)相对于 WT 同窝小鼠降低。在缺陷小鼠神经元中表达Cre重组酶,恢复神经元中的miR-501表达时,降低的树突复杂性和脊柱密度得到改善,改社交行为障碍也得到改善。神经元中 miR-501 表达恢复改善了与 miR-501 缺失相关的社交能力、记忆力和感觉运动门控损伤。

经过全基因组鉴定,mGluR5是 miR-501-3p的体内靶标之一,miR-501-3p通过mGluR5介导的兴奋性谷氨酸传递增强来阻断感觉运动门控。为了检测抑制mGluR5活性是否会减少与miR-501缺失相关的行为和突触缺陷,作者用mGluR5的抑制剂MTEP阻断KO小鼠体内mGluR5的活性,观察可改善受与 miR-501 缺失相关的社交能力、记忆力和感觉运动门控障碍,阻断对野生型对照无影响。因为mGluR5与NMDAR起协同作用,作者用特异性NMDAR拮抗剂2-氨基-5-膦戊酸(AP5;50μM)处理缺陷小鼠,观察到拮抗处理使sEPSC频率的增加正常化。简言之,通过抑制mGluR5/NMDARs活性使海马锥体神经元兴奋性突触传递正常化,能够减轻Mir501缺陷小鼠的社交和记忆行为异常

通过描述在雄性小鼠miR-501-3p缺失诱导社交能力、记忆能力和记忆力障碍的分子机制,研究揭示了miR-501-3p与兴奋性谷氨酸能传递的调节相关的表观遗传学和病理生理学机制,为精神分裂症提供了病因学意义。


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