绘制老年人额叶皮层中具有医学相关性的RNA异构体多样性图谱

2024-07-10 Wed
学术背景RNA选择性剪接（RNA isoforms）在基因表达调控中扮演着至关重要的角色。人类蛋白质编码基因平均含有超过八个RNA选择性剪接，这导致了近四种独特的蛋白质编码序列。传统的短读长测序技术由于其在读数长度上的限制，无法准确地组装和定量RNA选择性剪接，这大大简化了基础生物学的理解。越来越多的研究表明，同一基因体的不同选择性剪接在蛋白水平上具有独特的互作网络。尤其是，有研究表明同一基因体的某些选择性剪接在细胞内可以发挥完全不同甚至相反的功能。例如bcl-x基因，其中bcl-xl具有抗凋亡功能，而bcl-xs则具有促凋亡功能。这样看来，明确个体RNA选择性剪接的功能对于理解疾病机制以及开发新的治疗方法至关重要。
研究来源本研究由多名来自不同机构的科学家共同完成，其中包括Bernardo Aguzzoli Heberle、J. Anthony Brandon、Madeline L. Page等，他们分别来自University of Kentucky、Emory University等机构。论文被发表在Nature Biotechnology杂志上，DOI为https://doi.org/10.1038/s41587-024-02245-9。
研究工作流程本研究的目标是通过深层长读测序技术，探究人类额叶皮层中与医疗相关基因的RNA选择性剪接的多样性。研究工作流程分为几个步骤：
样本采集与处理收集了12个来自老年人额叶皮层的尸检样本，其中包括6个阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease，AD）样本和6个对照组样本。每个样本分别使用一张Oxford Nanopore PromethION流动单元进行测序。
RNA提取与测序利用Oxford Nanopore Technologies的PCR扩增cdna试剂盒，进行聚（A）富集后的mRNA测序。测序数据处理采用了Guppy basecaller软件，将生成的.fast5文件进行基座调用。
数据分析与RNA选择性剪接定量利用Bambu软件对测序数据进行RNA选择性剪接的定量与新选择性剪接的发现。共识别了12个样本中一共28989个表达的RNA选择性剪接，其中20183个被分类为蛋白质编码基因，2303个为长非编码RNA。
蛋白质水平验证为了验证新发现的RNA选择性剪接，我们使用了现有的质谱数据以及其他研究的数据。少量新发现的选择性剪接在蛋白质水平上成功验证。
新选择性剪接与差异表达分析从已知核基因体中共发现1534个新选择性剪接，其中428个被归为高可信度新选择性剪接。在差异表达分析中，您发现99个选择性剪接在阿尔茨海默病样本和对照组之间存在差异表达。这些差异表达的选择性剪接大部分来自未在基因水平上表达差异的基因。
研究结果新RNA选择性剪接的发现Bambu软件共识别了1534个新RNA选择性剪接，经过筛选和验证后，有428个被归类为高可信度新选择性剪接，这些新选择性剪接大部分来自蛋白质编码基因。这些选择性剪接在长读测序数据中展示了更多的异质性。
差异表达的RNA选择性剪接在阿尔茨海默病样本和对照组之间，我们发现了176个差异表达的基因和105个差异表达的RNA选择性剪接。其中，tnfsf12基因的两个选择性剪接表现出相反的表达趋势，进一步表明在疾病研究中进行选择性剪接水平的差异表达分析是至关重要的。
选择性剪接多样性与临床相关性研究显示，7042个基因表达了两个或更多选择性剪接，1917个与医学相关的基因表现出多样性选择性剪接。这些发现强调了在医学研究和临床诊断中识别个体RNA选择性剪接的必要性。
研究结论与意义通过深层长读测序，研究揭示了人脑额叶皮层中RNA选择性剪接的复杂性，尤其是在与疾病相关的基因中。这一发现不仅在基础科学研究中具有重要意义，也为临床诊断和治疗开发提供了新的思路。差异选择性剪接分析揭示了在基因水平上无法发现的疾病相关转录组特征，进一步表明深层长读测序在研究复杂人类疾病中的重要性。
研究亮点新选择性剪接的发现: 本研究首次从人类额叶皮层样本中识别出1534个新选择性剪接。
蛋白质水平验证: 利用质谱及其他现有数据对部分新选择性剪接成功进行蛋白质水平上的验证。
差异表达选择性剪接分析: 进行选择性剪接水平的差异表达分析，揭示了在基因水平上无法观察到的疾病特征。
深层长读测序的应用前景: 研究显示，深层长读测序在探索复杂疾病机制及开发新的治疗方法中具有巨大潜力。
附加信息研究提供了一个公共网络应用程序，用于可视化年龄大脑额叶皮层组织中个体RNA选择性剪接的表达（https://ebbertlab.com/brain_rna_isoform_seq.html）。这为进一步深入分析和研究提供了强大的工具支持。