文章信息
发表期刊：Science Advances
影像因子：13.6
中科分区：综合性期刊1区
发表时间：2024.01.04
Doi：10.1186/s13059-021-02261-x
研究背景
神经退行性疾病和精神疾病等脑科疾病是具有复杂病因的多因素疾病。神经疾病中，与每种疾病相关的脑区各不相同；病理学研究表明，这种位点选择性涉及多种因素，例如神经递质的变化、蛋白质稳态和能量需求，但详细的机制尚不明晰。识别和理解每个脑区中的特定基因和基因表达模式可能为各种神经和精神疾病的潜在机制提供重要的见解。
使用long-reads测序可以读取到完整的转录本序列（5’-3’）和polyA尾巴的完整信息，即可获得更精确的转录本特征；大脑中的转录本组织特异性更丰富，借助全长转录组测序技术可以鉴定到许多新的转录本亚型和组织及年龄特异性的亚型，这些信息可以为大脑区域特异性的研究提供更多的研究数据。本研究检测了四个死亡男性人脑的三个区域（颞叶皮层、下丘脑和小脑皮层）的全长转录本，目的是阐明人脑中的区域依赖性基因和亚型表达模式，同时结合DNA甲基化数据，解析了DNA甲基化对选择性剪切的影响。
研究思路和实验设计
研究从小脑、下丘脑和颞叶皮层中提取 RNA，并使用 PacBio 的 Sequel IIe 系统进行 Iso-Seq。同批样品进行了WGBS检测，获得全基因组甲基化数据。结合两种数据的联合分析，鉴定了DNA甲基化对选择性剪接的影响，进而使得不同脑区具有特异性表达的基因和转录本亚型
研究结果
1. 三个脑区的全长转录组概述
三个脑区的ISO-seq数据结果中，平均每个样品有27643个亚型和66860个非冗余亚型，这些亚型注释到14382个已知基因和52个新基因上。小脑中的亚型数量显著低于下丘脑和颞叶皮层，在三个脑区中均注释的比例为42.9%。将检测到的亚型跟人类基因注释数据库 GENCODE v.41 中的亚型进行了比较，注释结果可分为8类：FSM、ISM、NNC、NIC、fusion、genic、antisense,、intergenic。
2.大脑区域之间亚型类别和特征的比较
首先检查了在整个大脑高表达的基因，TPM＞200的基因有201个，其中髓鞘碱性蛋白（MBP）是整个大脑中表达最高的基因；同时检索只在每个相应区域表达基因，小脑中有42个基因、下丘脑的25个基因、颞叶皮层的44个基因，在颞叶皮层的分析中检测到突触信号相关的通路。研究检测了＞20种亚型的基因488个，这些基因富集到的是“大分子和蛋白质定位”和“细胞投射组织”以及“神经发生”等脑特异性通路，同时对上述基因进行分区查看，在小脑中发现了 34 个基因，在下丘脑中发现了 136 个基因，在颞叶皮层中发现了 77 个基因；同时分析显示，不同脑区具有不同主要亚型的基因，在小脑与下丘脑中鉴定出145个基因的193个亚型，在小脑与颞叶皮层中鉴定出来自114个基因的147个亚型，在下丘脑与颞叶皮层中鉴定出来自47个基因的55个亚型。通过分析大脑区域之间表达不同的主要亚型的基因，显著富集到了“基于肌动蛋白丝的过程”和“细胞投射组织”等通路。
3. 转录组和甲基化数据的综合分析
研究鉴定了在不同大脑区域表达不同亚型的基因，但表观层面的差异也可能导致不同基因亚型的产生，因此研究同时做的全基因组甲基化的检测，鉴定了不同脑区之间的差异甲基化信息（DMP），分别在小脑和下丘脑、小脑和颞叶皮层以及下丘脑和颞叶皮层之间的比较中鉴定了 66,908、32,841 和 8752 个 DMP。进一步分析表明DMP高度分布在那些在区域间具有不同主要亚型的基因上。
后续分析了相关区域附近的DMP的亚型结构差异，在小脑与下丘脑以及小脑与颞叶皮层的比较中，我们发现在亚型的 TSS 下游 1 kb 区域内，DMP 明显更多，这些亚型在区域之间表达不同。
研究结论＆结果讨论
本次针对不同脑区的ISO-seq，针对鉴定的全长转录本进行不同脑区的之间的差异分析，在小脑中发现了ZIC家族基因的亚型高表达，颞叶皮层中主要是神经发育相关通路的基因高表达，下丘脑中主要是免疫反应途径基因（主要是细胞因子的免疫过程和代谢调节）高表达。后续对每个大脑区域表达不同亚型的基因进行了研究，GAS7在三个脑区具有显著的亚型差异，使用不同地区具有不同主要亚型的基因进行通路分析，确定了诸如“基于肌动蛋白丝的过程”和“细胞投射组织”等通路。研究中同时考虑到了甲基化差异对产生不同转录本亚型的影响，通过不同脑区的全基因组测序数据的结果分析，表明在不同区域具有不同亚型的基因上有更多的DMP和DMR，甲基化位点在基因的上游区域和增强子区域。
本研究的目的是阐明人脑中区域特异性的基因和亚型表达模式，并获得可用于未来疾病研究的数据，研究对四名生前脑部健康的死亡人类的大脑的三个脑区进行ISO-seq和WGBS，结合两种数据的联合分析，鉴定了DNA甲基化对选择性剪接的影响，进而使得不同脑区具有特异性表达的基因和转录本亚型。
参考文献
Shimada M, Omae Y, Kakita A, et al. Identification of region-specific gene isoforms in the human brain using long-read transcriptome sequencing[J]. Science Advances, 2024, 10(4): eadj5279..
