TDRD3缺失小鼠在神经发生和突触可塑性相关的转录后水平和行为水平表现出损伤

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TDRD3缺失小鼠在神经发生与突触可塑性相关的转录后水平和行为水平表现出缺陷

研究背景

拓扑异构酶3b（top3b）是一种能够解决DNA和RNA拓扑问题的双重活性拓扑异构酶。越来越多的证据显示，top3b与tudor域含3（tdrd3）蛋白在动物中形成的保守复合物发挥作用。人类遗传学研究表明，top3b的缺失或突变与精神和认知障碍（如精神分裂症、自闭症、癫痫和智力障碍）有关，这一推论得到了培养神经元和多个动物模型（包括小鼠、斑马鱼和果蝇）分析的支持。具体而言，top3b缺失小鼠表现出与精神障碍和认知障碍相关的行为表型，以及海马神经发生和突触可塑性方面的缺陷。 然而，tdrd3在动物模型中对正常脑功能的重要性尚未得到充分研究。

研究来源

这项研究由Xingliang Zhu、Yuyoung Joo、Simone Bossi、Ross A. McDevitt等人完成，他们分别来自美国国立卫生研究院衰老研究所、佛罗里达大西洋大学、熊本大学等机构。文章发表于2024年的《Progress in Neurobiology》期刊上。

研究流程

实验流程

步骤1：小鼠模型的创建

研究采用基因捕获策略建立tdrd3缺失小鼠。结果显示，tdrd3缺失小鼠的mRNA和蛋白质水平不可检测。研究观察到tdrd3缺失新生小鼠的比例显著低于预期孟德尔比率，暗示tdrd3对于正常胚胎生存能力是必需的。

步骤2: 行为测试

研究包括对小鼠进行一系列行为测试，如Morris水迷宫、连续自发交替任务和恐惧条件反射测试。结果显示，tdrd3缺失小鼠在这些任务中表现出认知缺陷，与Top3b缺失小鼠相似。此外，tdrd3缺失小鼠在开场和光暗箱测试中表现出较少的焦虑行为。

步骤3: 电生理学测试

通过在海马切片中进行长时程增益（LTP）和长时程抑制（LTD）测试，结果显示tdrd3缺失小鼠的CA1神经元在活动依赖性突触可塑性方面表现出显著减弱。此外，Paired-pulse facilitation (PPF)测试未显示显著差异。

步骤4: 神经发生与神经形态学

研究发现tdrd3缺失小鼠海马新生神经元的增殖显著减少，尤其是Type II亚型神经干细胞。通过逆病毒GFP标记新生神经元，发现tdrd3缺失小鼠的新生神经元表现出显著的形态学异常，如神经元交叉点增多，树突体积和直径缩小，脊柱密度降低等。

步骤5: RNA测序与转录后调控

通过Pro-seq和RNA-seq测序分析，研究观察到许多与神经功能相关的基因在tdrd3缺失小鼠的成熟mRNA水平上显著降低，但其nascent RNA水平未发生变化，提示这些基因的mRNA周转加速。此外，研究发现TDRD3缺乏小鼠的多条GABA信号通路基因如Gabra2、Gabra6、 Neurod1 和 Neurod2 表现出类似的转录后调控缺陷。

研究结果

主要研究结果

  1. 认知与情感行为缺陷：Tdrd3缺失小鼠在Morris水迷宫及恐惧条件反射测试等认知任务中表现出记忆缺陷，这些认知缺陷可能与海马功能障碍有关。
  2. 焦虑行为变化：Tdrd3缺失小鼠在开场和光暗箱测试中表现出显著的焦虑减少，这与top3b缺失小鼠表现的焦虑增加相反。
  3. 突触可塑性减弱：电生理学测试显示，tdrd3缺失小鼠的CA1神经元在LTP和LTD测定中表现出突触可塑性显著减弱。
  4. 新生神经元形态异常：应用逆病毒GFP标记发现，tdrd3缺失小鼠的新生神经元在形态上表现出显著异常，如树突的交叉点增加，体积和直径减小，脊柱密度降低等。
  5. 基因表达调控失常：测序分析和RT-qPCR验证显示，多条GABA信号通路相关基因在tdrd3缺失小鼠中的成熟mRNA水平显著降低，而其nascent RNA水平几乎不变。

研究结论

研究得出结论：Tdrd3在小鼠大脑的正常功能中起着至关重要的作用，其缺陷可能通过转录后调控途径参与认知和精神障碍的发生。整个top3b-tdrd3复合物对于调控基因表达的稳定性不可或缺，缺陷可能导致GABA信号和神经发育相关基因的表达失调。

研究亮点

  • 双重活性拓扑异构酶作用路线图：提供了top3b和tdrd3复合物在DNA和RNA层面上如何协调发挥作用的机制洞察。
  • 突触可塑性与突触结构研究：揭示了突触可塑性和新生神经元形态在tdrd3缺失小鼠中的显著变化。
  • 转录后调控：展示了如何在tdrd3缺失的情况下，通过转录后调控机制影响多个与神经功能密切相关的基因。

结论和意义

这项研究不仅揭示了tdrd3在大脑功能中的重要角色，还为探索精神和认知障碍的分子机制提供了新的视角。通过阐明Top3b-Tdrd3复合物在基因转录和转录后的双重作用，该研究为在更广泛的神经生物学和病理生物学背景下理解基因调控提供了基础。这些发现或将有助于未来设计出更有效的治疗策略，针对由类似分子机制引起的精神和认知障碍。