Nat Neurosci|突破!杜克大学揭示小鼠大脑细胞类型特异性RNA甲基化组和年龄依赖性差异甲基化

学术   2024-10-15 00:02   上海  

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撰文七  七

责编︱王思珍


m6A是一种广泛存在的RNA修饰,在调节RNA加工和基因表达中起着关键作用。尽管m6A存在于所有组织中,但它在大脑中含量尤其丰富,已被证明对神经发育、学习和记忆以及奖励信号等多种过程都有贡献[1-3]。此外,m6A失调与多种脑部疾病有关,如胶质母细胞瘤、抑郁症和衰老相关的神经退行性疾病[4-6]然而,大多数m6A定位方法需要大量的输入RNA,这类研究仅限于分析大块脑组织。由于技术限制,对构成大脑的单个细胞类型中的m6A位点进行全局分析几乎是不可能的。

近期,杜克大学医学院Kate D. Meyer团队在Nature Neuroscience上发表了题为“Single-cell m6A profiling in the mouse brain uncovers cell type-specific RNA methylomes and age-dependent differential methylation”的文章。作者开发了一种小鼠模型,可以在任何组织中以单细胞分辨率检测转录组范围内的m6A。作者使用这些小鼠在不同的大脑区域和小鼠皮层的单个细胞内绘制m6A
图谱,并发现了大脑区域和细胞类型之间高度共享的甲基化。然而,作者也在神经元中发现了少量编码重要神经元信号调节因子的差异甲基化mRNA,并且小胶质细胞的m6A水平低于其他细胞类型。最后,作者在老年小鼠中进行了单细胞m6A定位,并鉴定了许多m6A随年龄变化的转录本。
 

作者构建了一种可诱导表达APOBEC1-YTH 蛋白的小鼠模型DART 小鼠,并验证了该蛋白在体内可特异性识别并编辑m6A修饰位点。使用DART小鼠对小鼠大脑皮质、海马和小脑三个区域进行了scDART-seq分析,共鉴定出178781139113461m6A位点。这些位点的分布与已知m6A修饰的特征一致。结果显示,大多数共表达的m6A修修 RNA在三个大脑区域都有甲基化,只有少数RNA存在区域特异性的甲基化差异。进一步分析发现,即使在共同甲基化的RN 中,也存在大量个别m6A位点在不同区域表现出差异甲基化。这些差异甲基化的RNA主要涉及神经系统发育、突触传递和神经信号通路相关基因。与之前基于抗体的 m6A 检测方法相比,scDART-seq可更精准地鉴定区域特异性的m6A修饰,揭示大脑不同区域m6A甲基化谱的独特特征。

 
1 DART小鼠体内鉴定m6A位点


作者深入分析了小鼠大脑皮质不同细胞类型的m6A 甲基化谱。在7702个单细胞中鉴定出405714m6A位点,其分布特征与之前的群体水平分析结果一致。比较不同细胞类型的m6A甲基化模式,作者发现大部分细胞类型在m6A分布上较为相似。但小胶质细胞microglia中检测到的m6A位点明显少于其他细胞类型,这不是由于测序覆盖度较低造成的采样偏差。通过GLORI法和质谱分析进一步验证,小胶质细胞中m6A水平确实显著低于星形胶质细胞。这一细胞类型差异性并非源自m6A调控蛋白的表达差异,可能与其他因素如蛋白功能活性的调控有关。综上所述,这项单细胞m6A谱分析首次发现了大脑皮质不同细胞类型在m6A甲基化水平上的显著差异,提示m6A调控可能在小胶质细胞中扮演特殊的生物学角色。

 
2 小鼠皮层中m6A在不同细胞类型间的分布


细胞类型间差异甲基化的RNA与其表达量变化呈现一定正相关,暗示高甲基化的RNA更可能在特定细胞中高表达。差异最显著的是在谷氨酸能神经元和星形胶质细胞间,谷氨酸能神经元普遍表现出更高的m6A甲基化水平。这些差异甲基化的 RNA主要涉及神经发育和信号传导相关基因,如Ddx6 等。对不同层次的谷氨酸能神经元亚型进行分析,发现它们的整体m6A分布模式较为相似。但仍有少数功能重要的即时早期基因,如Egr3FosNr4a2等呈现亚型特异性的差异甲基化。这些差异甲基化未必与转录水平变化相关,反而呈现负相关趋势,表明m6A调控可能独立于表达变化发挥作用。

 
3 不同细胞类型甲基化谱的比较


作者将老龄小鼠(14-15个月大脑皮质的scDART-seq数据与年轻小鼠8-9的数据进行整合分析,发现不同细胞类型在老化过程中表现出明显差异。谷氨酸能神经元在老化时显示最多的差异甲基化RNADM-RNAs,约75%表现为增加甲基化。而其他细胞类型如星形胶质细胞和GABA能神经元也有数百个DM-RNAs。部分小胶质细胞、依附细胞和血管周细胞则几乎没有差异甲基化。这些谷氨酸能神经元的老化相关甲基化增加并非源自APOBEC1-YTHm6A调控因子的表达变化。进一步分析发现,与自闭症、智力障碍以及阿尔茨海默病相关的一些RNA,如Gria2Atp2b2AppLrp1,在老龄大脑中表现出显著的差异甲基化。以App为例,其在老龄大脑神经元中的甲基化水平显著降低,这一变化仅局限于神经元,而不出现在其他细胞类型。总之,这项研究揭示了大脑老化过程中不同细胞类型在m6A调控上的独特变化特征,为理解老化相关神经退行性疾病的发病机制提供了新线索。

 
4 小鼠皮层年龄依赖性差异甲基化


文章结论与讨论,启发与展望

在这项工作中,作者利用scDART-seq技术来研究m6A在小鼠大脑单个细胞中的分布。作者开发了DART转基因小鼠,在所有组织中表达可诱导的APOBEC1-YTH,并利用它们在不同的大脑区域和皮层的单个细胞内分析m6A。作者发现RNA甲基化在大脑区域和皮层细胞类型中通常是一致的。然而,作者也观察到一组功能重要的RNA的不同甲基化,表明在不同的转录本中存在细胞类型特异性的m6A特征。此外,作者发现小胶质细胞mRNAm6A的惊人缺乏。此外,作者发现神经元可以通过独立于基因表达的RNA甲基化模式来区分,这意味着这些甲基化的差异导致了不同的细胞异质性。最后,作者在老年小鼠的皮层中进行了单细胞m6A定位,并在特定细胞类型中确定了数千个随年龄发生差异甲基化的位点。总之,作者提供了一种新的小鼠模型,揭示了以前未知的m6A在小鼠大脑单细胞中的分布特征。然而,小鼠依靠APOBEC1-YTH的表达来定位m6A位点。因此,转基因的表达水平和m6A位点对APOBEC1-YTH蛋白的可及性可能会影响m6A的鉴定。


原文链接:DOI: 10.1038/s41593-024-01768-3


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参考文献
1 Shi, H., Wei, J. & He, C. Where, when, and how: context-dependent functions of RNA methylation writers, readers, and erasers. Mol. Cell 74, 640–650 (2019).

2 Zaccara, S., Ries, R. J. & Jaffrey, S. R. Reading, writing and erasing mRNA methylation. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 20, 608–624 (2019).

3 Meyer, K. D. et al. Comprehensive analysis of mRNA methylation reveals enrichment in 3′ UTRs and near stop codons. Cell 149,1635–1646 (2012).

4 Yang, C. et al. The role of m6A modification in physiology and disease. Cell Death Dis. 11, 960 (2020). 

5 Jiang, L. et al. Interaction of tau with HNRNPA2B1 and N6-methyladenosine RNA mediates the progression of tauopathy. Mol. Cell 81, 4209–4227.e12 (2021).

6 Han, M. et al. Abnormality of m6A mRNA methylation is involved in Alzheimer’s disease. Front. Neurosci. 14, 98 (2020).
编辑︱王思珍
本文完



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