生命學(xué)院姚駿課題組發(fā)現(xiàn)miR-218-2調(diào)節(jié)海馬認(rèn)知功能及其機制
MicroRNA在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和功能調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用，是其正常運轉(zhuǎn)不可或缺的一部分。其中miR-218，作為一個在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛表達的miRNA，被發(fā)現(xiàn)在阿茲海默癥、精神分裂癥和抑郁癥等多種神經(jīng)退行性疾病和神經(jīng)精神疾病中出現(xiàn)表達異常。在這些疾病中，患者的認(rèn)知功能具有不同程度的缺陷。然而，關(guān)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(shù)構(gòu)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(xué)測試發(fā)現(xiàn)，miR-218-2基因敲除小鼠的認(rèn)知能力出現(xiàn)明顯缺陷。此外，在小鼠海馬區(qū)通過病毒注射過表達miR-218則會使小鼠在行為學(xué)測試中展現(xiàn)出增強的認(rèn)知功能。
為搞清miR-218-2基因敲除小鼠認(rèn)知缺陷的分子機制，作者利用全細(xì)胞膜片鉗技術(shù)、高爾基染色和冷凍電鏡技術(shù)分析miR-218-2基因敲除神經(jīng)元的發(fā)育、形態(tài)和電生理特征，發(fā)現(xiàn)miR-218-2敲除的海馬神經(jīng)元中興奮性突觸的突觸囊泡釋放減少，作為學(xué)習(xí)記憶分子基礎(chǔ)的長時程增強（LTP）減弱；miR-218-2缺失神經(jīng)元的樹突總長度和分支數(shù)減少，突觸密度上升；并且，電鏡分析結(jié)果顯示，miR-218-2敲除神經(jīng)元中突觸囊泡的轉(zhuǎn)運分布出現(xiàn)缺陷。此外，過表達miR-218則會導(dǎo)致相反的神經(jīng)元表型。
進一步，作者結(jié)合RNAseq和miR-218靶基因預(yù)測數(shù)據(jù)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(rèn)了補體因子C3、Mmp13和Gdnf這三個基因為miR-218候選靶基因。經(jīng)電生理實驗驗證，發(fā)現(xiàn)只有C3敲低的神經(jīng)元表型與miR-218過表達神經(jīng)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(xì)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(rèn)知缺陷。因此，作者得出結(jié)論，補體因子C3是miR-218調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)神經(jīng)元的形態(tài)和突觸囊泡的轉(zhuǎn)運與釋放，進而影響神經(jīng)元的突觸可逆性和LTP的發(fā)生，最終影響小鼠的認(rèn)知功能。該研究揭示了的神經(jīng)退行性疾病和神經(jīng)精神疾病可能通過共通的miR-218相關(guān)機制產(chǎn)生認(rèn)知障礙，為后續(xù)的疾病認(rèn)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(diào)節(jié)海馬體認(rèn)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(fā)表于《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）雜志。清華大學(xué)生命學(xué)院姚駿研究員為本文的通訊作者。生命學(xué)院博士生盧思瑤為本文的第一作者。清華大學(xué)生命學(xué)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(xué)史微研究員為本研究做出了重要貢獻。
圖一：miR-218通過C3調(diào)節(jié)海馬認(rèn)知功能
論文鏈接：https://www.pnas.org/content/118/14/e2021770118
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