生命學院姚駿課題組發現miR-218-2調節海馬認知功能及其機制

2021-03-31 10:49:21

MicroRNA在神經系統發育和功能調節中發揮著重要作用,是其正常運轉不可或缺的一部分。其中miR-218,作為一個在中樞神經系統中廣泛表達的miRNA,被發現在阿茲海默癥、精神分裂癥和抑郁癥等多種神經退行性疾病和神經精神疾病中出現表達異常。在這些疾病中,患者的認知功能具有不同程度的缺陷。然而,關于miR-218在這些疾病中扮演何種角色目前仍不得而知。

在本研究中,作者通過CRISPR/Cas9技術構建miR-218-1和miR-218-2基因敲除小鼠,揭示了miR-218在大腦中廣泛表達,尤其是在海馬中表達水平最高;而敲除miR-218-2基因后,miR-218在海馬中表達水平顯著下降。隨后,通過條件恐懼實驗、水迷宮和T迷宮行為學測試發現,miR-218-2基因敲除小鼠的認知能力出現明顯缺陷。此外,在小鼠海馬區通過病毒注射過表達miR-218則會使小鼠在行為學測試中展現出增強的認知功能。

為搞清miR-218-2基因敲除小鼠認知缺陷的分子機制,作者利用全細胞膜片鉗技術、高爾基染色和冷凍電鏡技術分析miR-218-2基因敲除神經元的發育、形態和電生理特征,發現miR-218-2敲除的海馬神經元中興奮性突觸的突觸囊泡釋放減少,作為學習記憶分子基礎的長時程增強(LTP)減弱;miR-218-2缺失神經元的樹突總長度和分支數減少,突觸密度上升;并且,電鏡分析結果顯示,miR-218-2敲除神經元中突觸囊泡的轉運分布出現缺陷。此外,過表達miR-218則會導致相反的神經元表型。

進一步,作者結合RNAseq和miR-218靶基因預測數據并進行KEGG分析,篩選出可能的miR-218靶基因。利用qRT-PCR和雙熒光素酶報告基因分析,確認了補體因子C3、Mmp13和Gdnf這三個基因為miR-218候選靶基因。經電生理實驗驗證,發現只有C3敲低的神經元表型與miR-218過表達神經元完全一致。直接使用C3蛋白多肽處理野生型小鼠可以模擬miR-218-2基因敲除小鼠的行為和細胞表型,而使用C3a受體拮抗劑SB290157處理miR-218-2基因敲除小鼠則可以挽救miR-218-2基因敲除小鼠的突觸功能和認知缺陷。因此,作者得出結論,補體因子C3是miR-218調節突觸功能的主要靶基因。

綜上所述,miR-218-2基因在小鼠海馬中通過靶基因C3調節神經元的形態和突觸囊泡的轉運與釋放,進而影響神經元的突觸可逆性和LTP的發生,最終影響小鼠的認知功能。該研究揭示了的神經退行性疾病和神經精神疾病可能通過共通的miR-218相關機制產生認知障礙,為后續的疾病認知缺陷的治療提供了新的思路和方向。

此項研究的論文題為“miR-218-2通過C3依賴的方式調節海馬體認知功能“(miR-218-2 regulates cognitive functions in the hippocampus through complement component 3-dependent modulation of synaptic vesicle release),于2021年3月29日在線發表于《美國科學院院刊》(PNAS)雜志。清華大學生命學院姚駿研究員為本文的通訊作者。生命學院博士生盧思瑤為本文的第一作者。清華大學生命學院博士后沈偉、王秋文、陳艷芬,博士生付崇雷、陳運、劉要南,中科院北京基因組所米雙利研究員、博士生梁良和北京航天航空大學史微研究員為本研究做出了重要貢獻。

圖一:miR-218通過C3調節海馬認知功能

論文鏈接:https://www.pnas.org/content/118/14/e2021770118



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