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  • 自闭症全基因组水平lncRNA、可变剪切和区域基因表达模式的改变
  • 【发布时间:2017-02-27 16:40:00】  阅览:1660次  【关 闭】
  • 2016年12月9日,Nature 在线发表了美国加利福尼亚大学Daniel H. Geschwind团队完成的自闭症系谱障碍(ASD)研究,该团队通过RNA-seq测序发现ASD相关的lncRNA、可变剪切和差异表达基因等。

    ASD是一种高度异质性遗传性疾病,其主要特征是语言障碍、交流障碍以及重复或刻板行为,至今尚未发现该病遗传的共同通路。该团队利用RNA-seq方法测序了48例ASD患者和49正常对照的额叶皮层、颞叶皮层和小脑总共251例样本。

    首先他们通过比较RNA-seq数据和早期的微阵列芯片数据,证实了ASD皮层和正常对照之间的差异性表达基因(DGE),并且两种结果具有较强的一致性。接下来他们结合了具有特异性ASD样本来评估整个转录水平的变化。通过与正常对照的皮层比较,发现ASD皮层中有584个基因的表达上调,558个基因的表达下调(Benjamini-Hochberg FDR< 0.05)(Fig. 1b)。基因集的通路和细胞类型富集分析发现下调的基因主要存在神经元和神经通路,包括高度表达的PVALB和SYT2,上调的基因主要富集在小胶质细胞和星形胶质细胞。在小脑中没有发现差异表达的DGE(FDR<0.05),但是小脑中的复制信号与ASD患者皮层中的倍数变化是一致的。研究认为小脑中缺乏DGE是因为皮层的变化明显,说明皮层更容易发生转录组的改变。

    接下来他们探讨了lncRNA,大部分的lncRNA均没有功能注释,他们在DEG中鉴定了60个lncRNA,RNA-seq数据库和表观遗传学注释等多个证据支持这些lncRNA的功能。其中有20个lncRNAs与miRNA-蛋白质复合物结合,9个lncRNA与脆性X智力迟钝蛋白(FMRP)有关,其mRNA靶标富含ASD风险基因。这些lncRNA主要富集脑相关的其他组织,通过与不同物种的比较发现这些lncRNA是灵长类动物的特有表达模式。该研究发现两个灵长类特异性的lncRNA,LINC00693和LINC00689(Fig1c)。

    该研究在ASD皮层中发现了1127个可变剪切位于833个基因上,但小脑中未发现,并用RT-PCR验证了这些可变剪切。这些可变剪切的分子标记并不是由DGE导致的,这些剪切的变化与独立于基因表达变化的常见疾病风险有关。可变剪切的特异性细胞类型和通路分析表明大多数可变剪切事件需要排除神经元特异性的外显子。因此他们接下来调查了ASD中的共享的可变剪切是否可以通过已知在神经元功能中的重要剪切因子中的扰动进行解释。研究发现剪切因子与皮层中的差异性剪切具有很高的相关性。研究比较了主要的蛋白编码的DGE、lncRNA的DGE以及可变剪切之间的关系,发现他们之间也具有很强的一致性(R2 >0.8)。ASD患者的额叶皮层与颞叶皮层之间有523个DGE,研究将这些基因定义为ACP(attenuated cortical patterning,ACP)集(Fig2a),这些ACP基因主要富集在Wnt信号通路,钙离子结合和神经元基因中,并发现了转录因子SOX5对其表达具有调控作用(Fig2.b-f)。该研究同时通过分析dup15型ASD患者的DGE和可变剪切水平,进一步证明了两者在ASD中的作用。

    最后该研究使用WGCNA(加权基因共表达网络分析)方法评估ASD相关的24个模块的生物学功能,研究发现有6个模块与ASD相关,其中3个下调的模块富含突触功能和神经元基因,3个上调的模块与炎症通路和神经胶质功能有关(Fig.4a,4b)。通过比较低龄ASD样本和对照样本之间的关系以检测ASD发育轨迹与对照之间的差异,发现CTX.M19和CTX.M20在20岁之前具有很大的差异,这与大脑发育早期的进化过程是一致的,大脑发育早期在儿童后期和青少年初期趋于稳定。为了确定遗传因子在转录失调中的作用,他们评估了ASD相关罕见变异和常见变异对基因丰度的影响,研究发现CTX.M24主要富集ASD相关的罕见变异,但是与智力障碍相关的de nove罕见变异主要富集在CTX.M22。CTX.M24主要富集lncRNA,在胎儿皮质发育期间基因高度表达,且含有ASD中发现的蛋白质破坏基因,表明了lncRNA是ASD研究的重要靶标。ASD相关的常见变异主要富集在CTX.M20(FDR<0.1),其主要富集ACP基因集,表明了ASD基因表达的衰减区域与多个风险基因有关。

    这项研究数据表明异常的小神经胶质细胞-神经元相互作用反映出了发育轨迹的早期改变在儿童后期变得更加明显,这可能会对干预有重要的影响。研究发现的两个灵长类动物特异性的lncRNA可能与人类的认知有关。lncRNA与携带ASD相关蛋白质编码突变的基因共表达分析表明lncRNA参与相似的生物学功能并且是潜在的ASD候选风险基因座。这项研究数据将会有助于解释ASD的遗传学和表观遗传学研究以及ASD与其他神经精神类疾病之间的关系。(撰稿:许静凯、周伏圣

    原文信息:“Genome-wide changes in lncRNA, splicing, and regional gene expression patterns in autism.”Nature. 2016 Dec 15;540(7633):423-427. doi: 10.1038/nature20612. Epub 2016 Dec 5.

     

     

     

     

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