人腦環狀RNA/circRNA與神經元身份、與帕金森/阿爾茨海默病等神經精神疾病密切相關

布里格姆婦女醫院(Brigham and Women's Hospital)是麻省總醫院Brigham醫療保健系統的創始成員之一，該醫院的研究人員進行了一項新研究，從人類大腦神經元中鑒定出11,000多個不同的RNA環，這些環狀RNA表征了與帕金森病和阿爾茨海默病有關的腦細胞。他們的研究結果發表在《Nature Communications》雜志上。

研究背景

最初被當作垃圾“junk”的非編碼RNA們紛紛“變廢為寶”先后成為研究熱點。環狀RNA也重新成為一種日益被關注的、尚未被深入探索的RNA類。環狀RNA由下游剪接供體位點與上游剪接受體位點的“反向剪接”產生，circRNA缺乏聚腺苷化的尾部，比mRNAs更不容易被外切酶降解。穩定的圓形轉錄本的半衰期(18.8 ~ 23.7 h)比線性轉錄本的半衰期(4.0 ~ 7.4 h)長得多，circRNA在突觸和大腦中顯著富集提示可能在終末分化神經元中積累有特定作用，可能與神經元發育和衰老有關；還有線索指向環狀RNA與神經退行性疾病和精神疾病有關。

人腦中的高性能神經元在功能和形態上都是“特化”以執行其特定功能的。中腦的多巴胺神經元控制運動、情緒和動機，而顳葉皮層的錐體神經元在記憶和語言方面發揮重要作用。與之對應的，多巴胺神經元在帕金森病中優先丟失，而錐體神經元在阿爾茨海默病中優先受到影響。這就提出了一個核心問題：人類基因組是如何規劃神經元多樣性的?

大腦富集的環狀RNA與這些神經元的身份、它們的特殊突觸和疾病易感性是否有關？早期的研究主要在大塊組織中檢測環狀RNA而缺乏細胞分辨率，可標準的單細胞測序方法**于線性RNA。最近的一項研究表明，通過分析公開的全長、單細胞RNAseq數據，包括人腦(如膠質母細胞瘤)和類器官樣本，環狀RNA可能在抑制性和興奮性神經元中顯示細胞特異性表達模式。

研究亮點

文章作者使用激光捕獲RNA測序，結合超深度測序的多聚腺苷化和非多聚腺苷化RNA與光鏡提供的細胞型富集，提供了兩種典型類型神經元——多巴胺和錐體神經元中的環狀RNA的全面清單。他們發現，circRNA的產生與神經元細胞的身份密切相關，并與帕金森病、阿爾茨海默病和其他神經精神疾病的基因位點密切相關。

文章通訊作者Clemens Scherzer博士和同事們開發了激光捕獲RNA測序(lcRNAseq)，用激光捕獲顯微解剖的方法進行細胞富集，對去核糖總RNA進行深度測序。與大多數腦RNAseq研究相比，他們開發的方法不局限于polyA+ mRNA，使他們能夠檢測非聚腺苷化的RNA，如環狀RNA。超深的測序深度可揭示低豐度的RNA。

Scherzer和他的同事用激光從190個冷凍的死后人腦樣本中的不同區域捕獲2種典型腦細胞(多巴胺神經元和錐體神經元)，以及一些用于比較的非神經元細胞。然后，他們使用超深的總RNA測序來研究在這3種細胞類型的環狀RNA序列，通過計算篩選，經過用RNase R處理的RNAseq實驗獨立驗證這些circRNAs，通過分析這些環狀RNA的基因組特征，鑒別出在人腦中多巴胺神經元和錐體神經元優先表達的細胞類型特異性環狀RNA，表明從3532個基因位點表達的環狀RNA而不是線性RNA決定了大腦細胞的多樣性和身份。

在作者重點分析的3532個相關基因位點中，有345個基因位點在多巴胺神經元中產生了400個多巴胺特異circRNA、但在錐體神經元和其他非神經元細胞中不產生circRNA；有730個基因位點在錐體神經元中產生1046個細胞特異circRNA但在其他細胞中不產生circRNA；1192個位點在非神經元細胞中產生特異的2222個circRNA而在兩種神經元中不產生circRNA；也有一些“超級位點”在不同細胞中產生不同的細胞特異circRNA組合，比如有306個位點在多巴胺神經元中產生478個多巴胺特異性circRNA，在錐體神經元中產生751個錐體神經元特異性circRNA，在非神經元細胞中產生988種非神經元circRNA反向剪接變體，有269個基因位點會產生437種多巴胺特異circRNA和731種錐體神經元特異circRNA但在非神經元細胞中不產生circRNA，參見圖片。

令人驚訝的是，從這些相同基因位點轉錄的線性RNA(如mRNA和長鏈非編碼RNA)的表達譜不符合細胞類型特異性標準，線性轉錄物的細胞特異性評分明顯低于環狀RNA。circRNAs的細胞類型特異性不能用相應位點的線性mRNA豐度來解釋。作者認為，circRNA多樣性可提供精細調整的細胞類型特異性信息，而這些信息不能由來自相同位點的相應線性RNA來解釋，因此，這些基因位點產生的circRNA組合能夠用來定義（defined）細胞的多樣性和身份，而對應的線性RNA則不能。

作者進一步分析表明，細胞類型特異性的神經元circRNA產生聚集在突觸功能和神經元投射位點（neuronal projection loci）周圍，而在非神經元細胞circRNA產生聚集在細胞周期位點周圍。因此，多巴胺神經元與錐體神經元中產生細胞類型特異性circRNA的基因位點實際上代表了類似的突觸和神經元投射相關途徑，這種神經元特異性circRNA主要通過突觸機制表達。此外，神經元circRNAs與神經精神疾病有關，甚至與疾病進程可能關聯。

circRNA的數量和多樣性為在人類腦部疾病中積極表達的非編碼RNA增加了一類新的成分。事實上，有理由假設，這類非編碼RNA調控網絡可能是人類腦細胞異常多樣性和表現的主要原因。（而人類基因組中蛋白質編碼基因數量少得令人奇怪，甚至比線蟲基因組中的蛋白質編碼基因也多不了多少）。環狀RNA主要在人類多巴胺和錐體神經元的突觸位點上表達，提出了一種可能性，即它們在人類神經元網絡的突觸功能中編碼了迄今未知的重要功能，這些功能控制著典型的人類體驗：如精細運動、動機、獎勵和高級皮層功能。

重要的是，61%的突觸circRNA與腦部疾病有關。突觸功能障礙——可能是這些神經退行性疾病和神經精神疾病的早期缺陷之一。疾病相關的circRNA表達在一定程度上顯示了細胞類型偏差的證據：成癮相關基因在多巴胺神經元中顯著表達circRNA，自閉癥基因在錐體神經元中主要表達circRNA，帕金森病相關基因座在非神經元細胞和神經元中高度表達circRNA。可以假設circRNAs可能作為精細調諧的，特殊用途的RNA載體，用于細胞類型特異性突觸的組裝，并且它們的失調可能導致突觸病變。控制細胞類型特異性環狀RNA生物發生的機制可能涉及RNA結合蛋白的亞群。要充分闡明環形和同源線性RNA生物發生的動力學和關系，所涉及的調節因子，以及揭示這種復雜的RNA機制如何指定神經元身份和突觸，還需要做更多的工作。總體來說，這項研究提供了兩種主要類型的人腦神經元中circRNA的獨特目錄，這將對神經精神疾病的基因組功能解碼和推進新興的RNA藥物和診斷領域普遍有用。

“環狀RNA長期以來一直被視為垃圾，但我們相信它在人類腦細胞和突觸的編程中發揮著重要作用，”通訊作者Clemens Scherzer博士說，他是布萊格姆神經內科和美國帕金森病協會高級帕金森研究中心的醫學博士。“我們發現這些環狀RNA是由腦細胞大量產生的，包括那些與帕金森病和阿爾茨海默病有關的細胞。”“自然產生的環狀RNA有潛力作為與疾病早期前驅階段有關的特定腦細胞的生物標志物，環狀RNA不容易被分解，這使它們成為報告者和提供治療的強大工具。它們可以被合成重寫，并作為未來的數字RNA藥物加以利用。”

“令人驚訝的是，由這些基因位置產生的環狀RNA而不是線性RNA定義了神經元的身份，”該研究的**作者、布里格姆大學神經病學和基因組學與生物信息學中心助理教授Xianjun Dong博士說。“circRNA多樣性提供了精細調整的細胞類型特異性信息，而這些信息不能由來自同一基因的相應線性RNA來解釋。”“環狀RNA的發現改變了我們對神經退行性疾病背后分子機制的理解，”董說。“環狀RNA比線性RNA更持久，有望成為RNA療法和RNA生物標志物。”

這些多巴胺和錐體神經元的退化在神經系統疾病的發展中起著關鍵作用。當研究人員進一步研究這種聯系時，他們發現大量的帕金森氏癥和阿爾茨海默氏癥基因產生環狀RNA。例如，在帕金森病癥狀出現之前，在易感多巴胺神經元中一種由帕金森病基因DNAJC6產生的環狀RNA的表達就已經減少了。研究小組發現，與不同疾病相關的基因在特定的細胞類型中產生環狀RNA。例如，成癮相關基因在多巴胺神經元中產生環狀RNA，自閉癥相關基因在錐體神經元中產生環狀RNA，癌癥相關基因在非神經元細胞中產生環狀RNA。

這個研究的局限性包括未能揭示這種復雜的RNA機制如何指定神經元和突觸身份。未來的研究可以調查這些環狀RNA的產生和功能，并調查控制其行為的其他遺傳調控因子。無論如何，研究結果提供了迄今為止對人類腦細胞中環狀RNA最全面的分析，并表明它們可以用于RNA診斷和用于治療神經系統疾病的藥物。

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