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NAT NEUROSCI:转录组+蛋白组联合,揭示microRNA调控靶点与功能机制

2019-04-04
中科新生命
3165

基因水平的研究发现miR-137与多种神经精神疾病存在相关性。同时,miR-137在正常的神经发生与神经发育过程中也具有重要作用。但是,miR-137的体内功能与作用机制仍然不清楚。为了揭示miR-137的功能,该研究构建了miR-137 KO动物,并对KO动物的突触可塑性、学习能力等多种神经功能的损伤进行了评价。借助于转录组+蛋白组联合分析,研究者进一步鉴定出phosphodiesterase 10a(Pde10a)是miR-137的重要调控靶点。

文献小笔记

中科新生命

Partial loss of psychiatric risk gene Mir137 in mice causes repetitive behavior and impairs sociability and learning via increased Pde10a

Nature Neuroscience  IF=19.912

原文链接:https://www.onacademic.com/detail/journal_1000040907544310_8357.html

研究材料与方法

图1

Mir137-knockout mice

(1)评价miR-137KO后神经功能受到的影响:

● 突触可塑性:免疫组化,spinedensities,dendritic length,等

● 学习记忆能力:Morriswater maze test,Barnes maze test,long-termpotentiation (LTP),等

● 重复行为与社交能力:marbleburyingtest,social interaction test,thethree-chamber test,等

(2)蛋白组分析:

● 技术:TMT定量

● 样本:皮层组织

● 组别与重复:Mir137+/+,Mir137+/–, and Mir137–/–,每组两个生物学重复(来自于两窝)

(3)转录组分析:

样本同蛋白质组

(4)转录组+蛋白组联合分析寻找miR-137直接调控靶点:

Sylamer算法比对UTR匹配富集结果与蛋白差异表达的相关性,以及进一步比对mRNA差异表达水平

(5)验证miR-137直接靶点:

luciferase reporter assay,UTR突变

研究内容与结果

1.突触蛋白免疫组化、树突长度等分析,揭示miR-137 KO可导致神经可塑性受损。

图2

Fig. 2 |Loss of miR-137 in the nervous system leads to synaptic overgrowth and impaireddendritic growth in vivo

2.多种行为测试揭示miR-137 KO可导致学习记忆功能失调。

图3

Fig. 3 | Partial loss of miR-137 leads to the learningand memory deficits.

3.多种行为测试揭示miR-137 KO可导致社交能力改变。

图4

Fig. 4 | Partial loss of miR-137 causes impaired socialbehaviors in mice

4.转录组、蛋白组揭示miR-137调控底物。

蛋白组结果发现:Mir137–/–组versus Mir137+/+组, Mir137+/–组versus Mir137+/+组, and Mir137–/–组versus Mir137+/–组,分别筛选到417、94和76个差异表达蛋白。这些蛋白与DNA replication, nervous system development, and chromatinremodeling,peptidase activity regulation, acute-phaseresponse, and regulation of neurotransmitter secretion等生物过程有关。其中有41个上调蛋白和9个下调蛋白,被预测为miR-137的底物。通过与RNAseq结果的进一步比对,41个上调蛋白中有37个蛋白对应的基因,在mRNA表达水平没有显著表达差异,表明上述基因可能是miR-137通过转录后调控模式所直接调控得底物。

图5

Fig. 5 | Systematic identification of in vivo mRNA targetsof miR-137 by integrating proteomic, transcriptomic, and bioinformaticanalyses.

5.确证Pde10a基因是miR-137的直接调控底物

在上述37个基因中,作者挑选了5个表达上调最显著的蛋白对应的基因,以及5个神经功能相关基因。采用luciferase reporter assay +UTR突变的方法,证实Pde10a基因是miR-137的直接调控底物

图6

Fig. 6 | Pde10a is akey mRNA target of miR-137.

6.后续研究

抑制Pde10a的表达能够减缓miR-137 KO引起的神经功能失调。Pde10a KO可逆转了miR-137 KO引起的神经功能失调。

总结与扩展

该文章思路清晰:围绕前期基因研究中发现的可能具有重要作用的miRNA展开。基于KO动物模型,首先评价了miRNA的生物功能。然后利用多组学的数据,筛选可能的miRNA底物,再利用经典方法进行直接底物验证;最后再评价底物被干预后的表型变化。从而实现对目标miRNA功能和作用机制的解析。

其中miRNA底物筛选的方法,值得借鉴。因为,常规通过序列比对预测出的底物,还是存在很多的不准确性。而蛋白质组的分析可以明确告诉我们,到底哪些蛋白产物确实发生了相应的表达变化,蛋白产物的表达水平是miRNA底物判定的最重要依据。同时,如果差异表达蛋白所对应的mRNA并没有相应改变,则可进一步确定该基因的调控方式并不是因为基因转录水平的变化,而是miRNA参与的转录后水平的调控(另外还有一种途径是miRNA的结合,引起了mRNA的降解)。所以,在底物预测的基础上,蛋白组+转录组可以更加准确、有效地筛选miRNA的底物,并提供更全面、更系统的信息。