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Nrl调控的视杆细胞转录组动态研究

期刊:Cell ReportsDOI:10.1016/j.celrep.2016.10.074

类型a

主作者及其机构:本研究的主要作者包括Jung-woong Kim、Hyun-jin Yang、Matthew John Brooks等人,他们隶属于美国国立眼科研究所(National Eye Institute, NEI)的神经生物学、神经退行性疾病与修复实验室。此外,还有来自日本京都大学基因组医学中心、德州农工大学神经科学研究所等多个机构的研究人员参与了这项工作。该研究由Anand Swaroop教授领导,并于2016年11月22日发表在《Cell Reports》期刊上。

学术背景:视网膜感光细胞是神经系统中负责捕捉光线并启动视觉过程的感觉神经元。杆状感光细胞(rod photoreceptors)和锥状感光细胞(cone photoreceptors)具有独特的形态结构以最大化其功能输出。特别是杆状感光细胞,在大多数哺乳动物的视网膜中占据主导地位(约占所有视网膜细胞的70%-80%),并且对遗传变化特别敏感。NRL(Neural Retina Leucine Zipper)转录因子决定了杆状感光细胞的命运。因此,本研究旨在通过综合分析转录组及相关下一代测序数据,深入了解杆状感光细胞形态发生和功能成熟的过程,识别之前未注释的转录本,并揭示基因调控网络的子结构。

详细的工作流程:本研究包括多个步骤。首先,使用定向RNA测序(RNA-seq)和外显子微阵列平台进行转录组谱分析。研究人员从Nrlp-GFP小鼠视网膜中流式分选杆状感光细胞,分别在P2、P4、P6、P10、P14和P28时间点收集样本用于RNA-seq分析,而在P2、P4、P6、P8、P10、P12和P21时间点收集样本用于微阵列分析。其次,通过整合转录组、目标组和DNA甲基化数据集,跟踪NRL中心基因调控网络(GRN)中的动态变化及其对杆状感光细胞形态发生的影响。再次,通过从头组装和可变剪接分析,定义之前未注释的NRL调控转录本,并评估可变剪接在感光细胞发育中的相关性。最后,通过加权基因共表达网络分析(WGCNA)确定NRL和其他转录调控因子之间的关系及下游效应物。

主要结果:研究发现,在P6到P10之间,杆状感光细胞的转录组景观发生了显著变化,这与杆状感光细胞的形态发生一致。这种转录组转变在NRL缺失的情况下被破坏。去新组装揭示了之前未注释的杆状感光细胞特异性转录本。此外,集成网络分析确定了NRL中心杆状感光细胞GRN的次级枢纽。例如,TNFAIP3基因包含两个NRL结合位点,并在NRL-KO感光细胞中表现出显著降低的表达,表明其在杆状感光细胞的功能维持和/或生存中起作用。研究还发现,特定阶段的DNA甲基化与全球基因表达变化相关,特别是在杆状感光细胞特异性基因的启动子区域和基因体中观察到高水平的DNA甲基化。

结论及其意义:本研究为全面系统地分析单一感觉神经元——杆状感光细胞的基因调控网络提供了框架。研究不仅揭示了杆状感光细胞形态发生和功能成熟的机制,还识别了之前未注释的转录本和基因调控网络的子结构。这些发现有助于理解视网膜疾病中基因/蛋白质网络的精确影响,并为未来药物靶点和治疗方法的发现提供支持。

研究亮点:研究的重要发现包括在P6到P10期间杆状感光细胞转录组景观的显著转变,以及NRL在转录成熟中的关键作用。研究方法的新颖之处在于通过定向RNA测序和外显子微阵列平台进行交叉验证,以及通过从头组装和可变剪接分析识别新的转录本。此外,研究对象的独特性在于使用了Nrlp-GFP和Nrlp-GFP;Nrl-KO小鼠模型,以便直接确定扰动关键枢纽对杆状感光细胞特异性GRN的影响。

其他有价值的内容:研究还开发了一个名为RetSeq的整合平台(https://retseq.nei.nih.gov),以促进数据集的快速访问、分析和可视化。

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