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Nat Neurosci:环状RNA或可成为阿尔兹海默症的临床新指标

2019-10-13 作者:佚名   来源: BioArt 我要评论0

阿尔茨海默症(Alzheimer’s disease,AD)是世界卫生组织公认的全球公共卫生重点。AD是一种由多种原因引起的、不可逆转的神经退行性疾病,是痴呆中最常见的一种类型,主要表现为进行性记忆丧失、认知功能障碍、注意力散漫、情感障碍、人格变化等特点,在疾病的最后阶段,患者表现为卧床不起,需要24小时护理,最终致命。研究发现,AD的病理学特征主要为β淀粉样蛋白(beta-amyloid protein, Aβ)在大脑皮层和海马区沉积形成老年斑、神经元细胞内神经纤维缠结及脑皮层和海马区神经细胞减少,胆碱乙酰转移酶(ChAT)和乙酰胆碱(Ach)含量显着减少。AD的发病与年龄、遗传因素及环境因素密切相关,然而,到目前为止,仍不能在早期阶段确诊AD,且该病的病因和发病机制仍未完全研究清楚。

近年来,分子生物学技术的发展使得研究人员在探索编码和非编码转录组的复杂网络中越来越游刃有余,在这个过程中,人们发现了一类新型的内源性非编码RNA——环状RNA(Circular RNA,circRNA)。与线性RNA(如mRNA、microRNA和lncRNA等)具有5’帽子和3’尾巴的结构不同,circRNA是通过反向剪接形成的共价闭环结构。早在20世纪70年代,科学家就利用电子显微镜在RNA病毒中发现了环状RNA分子,然而,在那时,circRNA被认为是拼接的人工产物,并且在大约20年的时间里一直被认为是“垃圾”RNA,直到转录组测序和生物信息学分析出现新的进展,人们发现circRNA在哺乳动物细胞中的高丰度、高稳定性和高保守性,才使得其重新获得研究者的重视。越来越多的研究证实,circRNA可以通过吸附microRNA、与RNA结合蛋白相互作用或调节转录来调控基因的表达,甚至可以翻译产生多肽。更重要的是,circRNA表达的组织特异性调控已被发现与许多疾病的发生和发展密切相关,包括各种癌症、心血管疾病和神经系统疾病.

研究发现circRNA在神经系统中高度表达,且在突触中富集。在大脑中,circRNA的表达可以独立于其线性转录表达,并且可能是一个基因中表达量最高的亚型。脑内circRNA在发育和对神经元兴奋的反应中也受到一定程度的调控。已有研究发现一个可以调节特定microRNA和突触功能的circRNA——CDR1-AS在AD大脑中表达下调。基于以上,我们不禁好奇,在AD的发生发展过程中,circRNA扮演着什么样的角色呢?circRNA的存在是否对于AD的诊断、治疗有着至关重要的作用呢?

来自美国华盛顿大学医学院的Carlos Cruchaga教授研究团队在Nature Neuroscience上在线发表题为An atlas of cortical circular RNA expression in Alzheimer disease brains demonstrates clinical and pathological associations的文章,对AD患者中circRNA的差异表达及其与AD临床和神经病理学严重程度的关系进行了全circRNA转录组分析,为我们解答了上述问题,提出circRNA与AD发生发展进展关系密切,并有望成为临床早期诊断的新靶标。

本文的分析研究是建立在调用和量化来自两个独立的RNA-seq数据库中的circRNA数据,这两个数据库的数据均来源于神经病理学证实了的AD病例和对照脑组织。第一个数据库——discovery数据库,其RNA-seq数据来源于96个个体(13例对照和83例AD患者)捐献的冷冻顶叶皮层组织,另一个用于重复实验的数据库——西奈山脑库(Mount Sinai Brain Bank,MSBB)的RNA-seq数据来源于195个样本(40例对照、89例确诊AD患者、31例大概率AD患者及35例疑似AD患者)的额下回组织和另外三个皮层区域。首先,研究人员利用STAR软件进行嵌合读取检测模式,将两个RNA-seq数据库的数据与GENCODE注释的人类参考基因组(GRCh38)进行匹配,利用DCC软件进一步处理和过滤嵌合读数,以识别反向剪接连接处,然后将此数据折叠至它们的起源线性基因上,生成一组高度可靠的circRNA数据以用于下游分析。根据这个方法,本研究在discovery数据库中调用了3547个circRNA,而在MSBB中的四个脑区域数据中平均调用了3924个circRNA。

随后,本文研究人员使用DESeq2软件对神经病理学AD病例及对照进行circRNA差异表达分析,并与临床AD定量指征—Braak评分(从神经病理学角度评估AD严重程度,由脑内神经原纤维缠结的数量和分布决定)和临床痴呆评分(CDR,认知障碍的临床测量指标)进行相关性分析。结果显示,在discovery数据库中共鉴定出37个与至少一个AD性状显着相关的circRNA,而在MSBB数据库中分析发现164个与至少一个AD性状显着相关的circRNA,从而表明circRNA的表达与AD的诊断、临床痴呆的严重程度和神经病理学的严重程度之间存在显着的相关性(图1)。与此同时,本文分析研究还证明,大多数circRNA-AD相关性与同源线性mRNA的表达或预估的脑细胞类型比例的变化无关,并且某些circRNA的表达变化在AD的不同皮质区域是一致的。

进一步地,为了探讨circRNA的表达是否在AD实质性症状出现前发生变化,以及这些变化是否局限于随机发生的AD,本文的研究者又将circRNA分析扩展到症状出现前的AD样本(即已有神经病理学证实,但还未出现明显症状,CDR≤0.5)和常染色体显性遗传AD样本(ADAD),结果显示,在AD症状出现之前,circRNA在多个皮层区域表达出现早期变化,并且circRNA表达的变化在ADAD的情况下也会发生,而且即使根据神经病理学的严重程度进行调整,其变化幅度也只会更大。

最后,本文研究人员通过相对重要性分析、共表达网络分析和miRNA结合位点预测分析,探讨AD相关circRNA的AD相关性和潜在的疾病影响机制。结果显示,与已知的两个因素——APOE4等位基因的数量(AD最常用的遗传风险因子)和神经元估计比例——相比,circRNA的变化能更好的反映AD特征;此外,AD相关的circRNA与已知的AD基因存在共表达关系,并且这些circRNA存在潜在的microRNA结合位点,可以用于预测以AD基因为靶点的microRNA。

综上所述,本研究证实,即使没有人口统计学或APOE4危险因素数据,circRNA的表达也能对AD的病情产生很强的预测能力;同时,结合circRNA在脑脊液和血浆等生物体液中的相对稳定性以及它们在外泌体中的富集的特点, circRNA也可能会被用作症状前和症状性AD以及其他潜在的神经退行性疾病的外周生物标志物;由此,进一步强调了分析非线性RNA的重要性,并为未来探索circRNA在AD发病机制中的潜在作用的研究提供了方向。

原始出处:
Dube U1,2,3, Del-Aguila JL2, Li Z2,et al.An atlas of cortical circular RNA expression in Alzheimer disease brains demonstrates clinical and pathological associations.Nat Neurosci. 2019 Oct 7. doi: 10.1038/s41593-019-0501-5. [Epub ahead of print]



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