深度轉錄組學揭示泛神經元基因的細胞特異性異構體及其調控機制

《Nature Communications》:Deep transcriptomics reveals cell-specific isoforms of pan-neuronal genes

【字體: 時間:2025年05月17日 來源:Nature Communications 14.7

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  研究人員利用線蟲(C. elegans)深度單神經元轉錄組數據,通過開發"獨特性指數"算法,系統解析了神經元間選擇性剪接(alternative splicing)的細胞特異性模式,發現泛神經元基因普遍存在細胞特異性異構體,并鑒定出SUP-12/RBM24等RNA結合蛋白(RBP)調控機制。該研究發表于《Nature Communications》,為理解神經元功能多樣性提供了新的分子視角。

  

神經元功能的多樣性不僅取決于基因表達差異,更與選擇性剪接(alternative splicing)密切相關。然而由于單細胞RNA測序(scRNA-seq)的低捕獲效率,神經元亞型特異性剪接模式的研究長期面臨技術瓶頸。線蟲(C. elegans)因其完整的神經元圖譜和遺傳可操作性,成為破解這一難題的理想模型。

美國研究人員Zachery Wolfe和Adam Norris團隊利用CeNGEN聯盟提供的46種神經元深度轉錄組數據,結合自主開發的生物信息學工具,首次在單細胞分辨率系統繪制了神經元剪接圖譜。研究通過"獨特性指數"(uniqueness index)算法,發現52%的差異剪接事件為內含子保留(intron retention),遠超傳統認知的 cassette exon事件(7%)。更突破性的是,揭示了泛神經元基因(如dgk-1、unc-31)通過細胞特異性異構體實現功能特化的新范式,并鑒定出SUP-12/RBM24等RNA結合蛋白(RBP)的調控作用。該成果發表于《Nature Communications》。

關鍵技術包括:1) 基于CeNGEN聯盟提供的46種神經元RNA-seq數據(含生物學重復);2) 開發JUM算法分析6類剪接事件;3) 構建雙熒光報告系統驗證剪接模式;4) 創建VISTA-SPLICE空間可視化平臺。

【深度轉錄組揭示細胞特異性剪接模式】
通過分析2070組神經元兩兩比較數據,發現unc-31基因第3外顯子在AVL神經元包含率(78%)顯著高于AVG神經元(1%),呈現連續梯度變化。全局分析顯示不同剪接類型(如A5SS與A3SS)間存在強相關性(R2=0.82),但與基因表達譜無關,證實剪接調控的獨立性。

【泛神經元基因的獨特性異構體】
在352個泛神經元基因中鑒定出細胞特異性剪接變異,如dgk-1基因在DA/VB運動神經元選擇性使用下游3'剪接位點,產生含31個氨基酸的獨特C端,而抑制性運動神經元(VD/DD)僅表達經典異構體。轉基因報告系統證實該模式與興奮/抑制神經元分類精確對應。

【OLL感覺神經元的3'剪接位點偏好】
OLL神經元呈現獨特的剪接特征:83%的A3SS事件優先選擇上游位點,如rskn-1基因上游位點使用率達75%(其他神經元<5%),這種剪接類型特異性在其他神經元中未見。

【調控機制解析】
通過遺傳篩選發現:觸覺神經元(AVM/PVM)中,SUP-12特異性調控unc-40外顯子包含,而MEC-8調控lgc-31外顯子跳躍。結合既往發現的MBL-1,揭示觸覺神經元采用三種獨立RBP通路建立特異性剪接模式。

該研究建立了單神經元剪接圖譜的分析范式,突破性地揭示:1) 內含子保留是神經元差異剪接的主要形式;2) 泛神經元基因通過細胞特異性異構體實現功能多樣化;3) 單個神經元可整合多種RBP通路精細調控剪接。VISTA-SPLICE平臺的創建為領域研究提供了可視化工具。這些發現為神經發育疾病中剪接異常的研究提供了新思路,特別是SUP-12等RBP在神經元亞型特異性調控中的新角色,為神經退行性疾病的機制研究開辟了新方向。

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