Science：首次全面分析大脑发育过程中的转录本异构体

　　

选择性剪接在大脑中非常普遍，影响着大脑发育的多个方面，并与神经精神疾病密切相关。尽管如此，在人类大脑发育过程中，细胞类型特异性剪接和转录本异构体的多样性还没有得到系统研究。

近日，加州大学洛杉矶分校和宾夕法尼亚大学科学家领导的团队首次编制了发育人脑的转录本异构体目录。这个新颖的数据集有助于深入了解神经发育和精神疾病的分子基础，同时为靶向治疗铺平了道路。

这项研究成果于5月24日发表在《Science》杂志上，详细介绍了转录本表达如何随细胞类型和成熟度而变化，并发现异构体表达水平的变化可以帮助我们更好地了解大脑是如何发育的。

人体中的每个细胞都带有相同的遗传信息，但不同蛋白质的表达赋予了细胞不同的功能，而这正是由mRNA转录本所编码的。这些不同的转录本异构体（isoforms）大多由选择性剪接产生——这个过程在大脑中相当普遍，也带来了丰富而多样的蛋白质。

短读长测序是转录组分析的主流技术，但它并不适合捕捉选择性剪接和异构体多样性。为此，研究人员采用三代长读长测序技术来捕获完整的RNA分子，并对发育中新皮层的两个主要区域的全长转录组进行分析。它们分别是包含干细胞的生发区（GZ）和容纳新生成神经元的皮质板（CP）。

在这项研究中，研究人员获得了六个发育中的人类新皮层组织样本，这些样本代表了妊娠中期（受孕后15至17周）。在人类大脑的发育过程中，这个时间点是一个关键窗口，大脑的复杂性开始显现。

共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校的精神病学和遗传学副教授Michael Gandal表示：“这些组织样本使新转录本的发现达到了惊人的水平。由于公开数据库还没有纳入这些关键的时间点，我们可以帮助人们了解在人类大脑发育的背景下基因如何被调控。”

利用长读长Iso-seq技术，研究人员发现了 214,516 种独特的异构体，其中70%的异构体从未被研究过。然后，他们比较了发育中大脑的两个区域，观察到异构体表达水平的变化对神经发生、分化和细胞命运（也就是大脑的成熟）至关重要。

研究人员发现，大脑发育过程中出现了数千个异构体的转换。他们预测这些转换会影响RNA调控结构域或蛋白质结构，这意味着之前从未表征的RNA结合蛋白参与了细胞身份和细胞命运的决定。

这项研究还分析了神经发育和神经精神疾病（比如自闭症和智力障碍）的遗传风险机制，包括重新评估数千个罕见遗传变异的意义和临床相关性。

加州大学洛杉矶分校的Luis de la Torre-Ubieta博士表示：“我们发现，自闭症或神经发育障碍的高置信度风险基因往往有多个异构体，这些异构体在神经发生过程中以不同的方式表达。这意味着特定异构体的表达失调是这些疾病的潜在机制。”他也是通讯作者之一。

研究人员认为，这项研究的结果对疾病治疗有很大的意义，可以在临床上发挥作用。发现新的转录本有助于人们在基因治疗试验中确定新型的治疗方法，也有助于携带罕见突变的个体参与靶向治疗试验。

这些数据也有望帮助人们对神经发育障碍进行更好地诊断。由于这项研究发现了数千个相关的基因变异，携带这些变异的家庭或个体可以更好地了解他们的孩子对某些疾病的易感性。

“能利用这一资源帮助患者，我真的很兴奋，” Gandal博士称，他也是一名执业精神病医生。“有了这些知识，我们距离开发出靶向治疗方法和深入了解遗传机制又近了一步。”