单细胞长读长测序构建大脑mRNA异构体图谱

威尔·康奈尔医学院的研究人员近日绘制出迄今最全面的小鼠和人类大脑mRNA异构体图谱。这份重要的新资源有助于人们了解大脑发育、神经元特化及其他大脑功能。

　　

威尔·康奈尔医学院的研究人员近日绘制出迄今最全面的小鼠和人类大脑mRNA异构体图谱。这份重要的新资源于4月9日发表在《Nature Neuroscience》杂志上，有助于人们了解大脑发育、神经元特化及其他大脑功能。

从DNA序列中复制而来的RNA转录本携带着构建蛋白质的指令，并显示出哪些基因在特定细胞中处于活跃状态。当一个基因被复制成原始的RNA转录本时，通常会以不同的方式加工，形成不同的剪接变体或同源异构体（isoform）；因此，一个基因可能会产生几种不同的蛋白质。

尽管目前已开展了大量的转录组研究，但很少有大脑单细胞研究考虑到mRNA异构体。这一层复杂的生物学信息被认为是了解许多神秘疾病的关键，尤其是大脑疾病。

在这项新研究中，研究人员采用先进的测序方法记录了小鼠和人类大脑中存在的mRNA异构体，包括不同的脑区、不同的细胞类型和小鼠的不同生长阶段。他们发现，即使在特定的细胞类型中，某些基因的异构体也会因细胞所在位置和大脑发育阶段的不同而发生很大的变化。

通讯作者、威尔·康奈尔医学院的神经科学副教授Hagen Tilgner博士称：“这无疑是向前迈出了一大步，让我们能够更详细地研究大脑中的各种过程。” 

同源异构体属于生物学中的细枝末节，因此在读取上存在难度。这主要是因为标准的RNA测序技术不能可靠地检测mRNA异构体之间的差异。为了解决这个问题，研究人员转而采用更昂贵且耗时的“长读长”测序，但仍然需要大量的数据处理才能达到足够的准确性。

他们采用了单细胞长读长测序方法ScISOr-Seq2，从三个方面研究了全长异构体：成人脑区、细胞亚型和发育时间点。他们发现，对于72%的基因，一个或多个方面的全长异构体表达存在差异。

此外，不同细胞类型之间的剪接位点、转录起始位点和多聚腺苷酸化位点存在很大差异，影响蛋白质结构，并与疾病相关联。这份图谱将作为神经科学家研究正常和异常大脑功能及发育的基本参照物。

研究人员还发现，对于在神经元信号传导中发挥作用的多个基因，同一细胞类型在不同的脑区表达不同的mRNA异构体。在青春期，变化更为明显，许多异构体都表现出意想不到的波动模式。

文章第一作者Anoushka Joglekar表示：“我们发现，一些异构体在整个发育过程中不断打开和关闭，直到成年后才趋于稳定。” 

研究小组还观察到，许多带有高度可变异构体的基因在之前的研究中与主要的脑部疾病关联，包括阿尔茨海默病、帕金森症、精神分裂症、双相情感障碍、焦虑症和抑郁症。

尽管小鼠和人类脑细胞的大多数研究结果相似，但研究人员计划在今后的研究中重点关注人类细胞——例如，比较正常衰老和衰老相关脑部疾病中的异构体变化。