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NAT NEUROSCI转录组+蛋白组联合揭示microRNA调控靶点功能机制

2020.8.24

　　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

　　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

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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

　　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。

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周锦帆