近日，北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院、IDG麥戈文腦科學(xué)研究所、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、海南大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院王征實驗室與中國科學(xué)院王光中研究員合作，在《Cell Reports》在線發(fā)表題為“Noncoding transcripts are linked to brain resting-state activity in non-human primates”的研究論文，報道了利用實驗室前期收集的獼猴全腦分區(qū)、單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜和靜息態(tài)腦影像數(shù)據(jù)，整合分析發(fā)現(xiàn)150個非編碼基因與蛋白編碼基因一起共同調(diào)控大腦網(wǎng)絡(luò)在靜息狀態(tài)下的同步自發(fā)振蕩活動。此外，這些非編碼基因不僅與非神經(jīng)元細(xì)胞（如少突膠質(zhì)細(xì)胞）的功能有關(guān)，且與人類精神疾病如自閉癥、精神分裂癥的風(fēng)險基因緊密關(guān)聯(lián)。
王征實驗室歷時多年繪制了一套基于162只食蟹猴高分辨磁共振影像數(shù)據(jù)的全腦分區(qū)解剖圖譜--Cyno162 (Lv et al., 2021)，和與之相匹配的全腦分區(qū)轉(zhuǎn)錄組圖譜（Bo et al., 2023），奏響了靈長類影像轉(zhuǎn)錄組學(xué)及跨物種研究的序曲。本項工作是在前期研究大腦解剖結(jié)構(gòu)特征的遺傳進(jìn)化基礎(chǔ)上的延伸：非編碼基因是否參與調(diào)控大腦靜息功能網(wǎng)絡(luò)？已有的研究發(fā)現(xiàn)大腦靜息功能網(wǎng)絡(luò)模式（如默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)， default mode network）在嚙齒類、靈長類物種間進(jìn)化保守，但因受早期測序技術(shù)的限制，前期研究僅僅關(guān)注蛋白編碼基因?qū)δ芫W(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)（Richiardi et al., 2015; Wang et al, 2015）。近年來，非編碼RNA所扮演的角色逐漸成為焦點，因其具有非常重要的調(diào)控功能，參與了多種生物學(xué)過程和通路活動，與重大疾病的發(fā)生發(fā)展緊密關(guān)聯(lián)，但對功能磁共振影像信號的調(diào)控貢獻(xiàn)知之甚少。
基于王征實驗室前期收集的獼猴靜息態(tài)功能磁共振影像數(shù)據(jù)（Lv et al., 2016; Cai et al., 2020; Zhan et al., 2021）和全腦分區(qū)轉(zhuǎn)錄組圖譜數(shù)據(jù)（Bo et al., 2023），研究團(tuán)隊提取了獼猴腦影像數(shù)據(jù)中的低頻振幅指標(biāo)來表征大腦不同區(qū)域的自發(fā)振蕩活動，和來自100個皮層區(qū)域的757個樣本的深度測序數(shù)據(jù)（平均每個樣本5270萬個讀序），運用稀疏偏最小二乘分析（sparse partial least squared analyses，sPLS）來檢測腦區(qū)基因表達(dá)與自發(fā)振蕩功能活動之間的關(guān)聯(lián)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)150個非編碼基因（rsf-noncoding）幾乎能夠與蛋白編碼基因（rsf-coding）同等解釋全腦自發(fā)功能活動的變化，且具有顯著的腦區(qū)表達(dá)特異性，多數(shù)在皮層的表達(dá)顯著高于皮層下腦區(qū)，如ENSMFAG00000053082，ENSMFAG00000047780等。此外，150個非編碼基因中80%為長非編碼基因（120個），其次是旁雜的小RNA(miscRNA)和各類的非編碼RNA。
研究團(tuán)隊以這些基因作為種子，計算與之關(guān)聯(lián)（biweight midcorrelations）的蛋白編碼基因來展開功能富集分析，發(fā)現(xiàn)非編碼基因同編碼基因類似，除了富集到已經(jīng)被報道的離子跨膜轉(zhuǎn)運蛋白活性，自主神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和細(xì)胞外基質(zhì)等功能，也顯著富集于軸突髓鞘化和膠質(zhì)細(xì)胞分化的生物學(xué)過程。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊對非編碼和編碼基因分別構(gòu)建共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，在基因模塊層面檢測編碼基因和非編碼之間及與腦區(qū)低頻振幅影像信號之間的關(guān)聯(lián)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個蛋白編碼基因的模塊分別與非編碼和編碼PLS1成分權(quán)重顯著相關(guān)，且與非編碼PLS1成分權(quán)重相關(guān)的模塊6的基因顯著富集于膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞相關(guān)的通路。
圖一 非編碼基因參與調(diào)控獼猴大腦靜息網(wǎng)絡(luò)
隨后，研究團(tuán)隊利用實驗室前期采集的獼猴大腦單細(xì)胞數(shù)據(jù)（Bo et al., 2023），分類得到了22種細(xì)胞類型包括14種興奮性細(xì)胞亞型，3種抑制性細(xì)胞亞型和5種非神經(jīng)元亞型，進(jìn)而確定這些非編碼基因是否富集于某些特定細(xì)胞類型？結(jié)果發(fā)現(xiàn)非編碼基因與多種細(xì)胞亞型標(biāo)志基因顯著相關(guān)，如少突膠質(zhì)細(xì)胞及興奮性和抑制性神經(jīng)元亞型，并驗證了模塊分析中的模塊6基因確實富集到少突膠質(zhì)細(xì)胞的兩種亞型。此外，非編碼相關(guān)的特異基因顯著富集于多種興奮性與抑制性神經(jīng)元亞型，而編碼相關(guān)的基因只少量富集到某一類興奮性神經(jīng)元亞型。進(jìn)一步對全腦靜息態(tài)腦區(qū)活動相關(guān)基因的細(xì)胞亞型富集分析表明，少突膠質(zhì)細(xì)胞亞型2與全腦靜息態(tài)腦區(qū)活動正相關(guān)，而星形膠質(zhì)細(xì)胞和興奮性神經(jīng)元亞型6與腦區(qū)活動負(fù)相關(guān)。這些結(jié)果提示非編碼RNA通過特定細(xì)胞調(diào)控并影響著大腦結(jié)構(gòu)和功能。
長非編碼RNA和小RNAs等非編碼基因在人類神經(jīng)和精神疾病中的重要影響已不容忽視。研究團(tuán)隊進(jìn)而對非編碼基因及相關(guān)的模塊、基因與多個疾病基因集進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)非編碼基因的模塊與自閉癥和精神分裂癥風(fēng)險基因高度相關(guān)。并且，與非編碼相關(guān)的基因在之前發(fā)現(xiàn)的人類靜息態(tài)功能基因和記憶效應(yīng)基因中高度富集，而這種關(guān)聯(lián)在自閉癥患者的大腦中發(fā)生了改變，再次強調(diào)了非編碼 RNA 與大腦靜息網(wǎng)絡(luò)的活動及精神疾病風(fēng)險的關(guān)系緊密。
中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所博士后王維，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院腦病中心薄婷婷博士（從王征實驗室畢業(yè)）和河南省人民醫(yī)院放射科張戈博士為該文共同第一作者，王征研究員與中國科學(xué)院王光中研究員共同為本文的通訊作者。項目開展期間得到了河南省人民醫(yī)院放射科王梅云主任、海南大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院等多位合作者的大力支持和幫助，同時受到了科技部“腦科學(xué)與類腦研究”重大專項，國家自然科學(xué)基金委，中國科學(xué)院，上海市，廣東省及北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心等基金資助。
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211124723006630
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參考文獻(xiàn)
Bo et al., Brain-wide and cell-specific transcriptomic insights into MRI-derived cortical morphology in macaque monkeys, Nature Communications, 2023, 14: 1499-1514.
Cai et al., MECP2 duplication causes aberrant GABA pathways, circuits and behaviors in transgenic monkeys: neural mappings to patients with autism, Journal of Neuroscience, 2020, 40(19): 3799-3814.
Lv et al., Normative analysis of individual brain differences based on a population MRI-based atlas of cynomolgus macaques, Cerebral Cortex, 2021, 31(1): 341-355.
Lv et al., Large-scale persistent network reconfiguration induced by ketamine in anesthetized macaques: relevance to mood disorders, Biological Psychiatry, 2016, 79: 765-775.
Richiardi et al., Correlated gene expression supports synchronous activity in brain networks, Science, 2015, 348(6240): 1241-1244.
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Zhan et al., Diagnostic classification for human autism and obsessive-compulsive disorder based on machine learning from a primate genetic model, American Journal of Psychiatry, 2021, 178(1): 65-76.
2023-06-19