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Nature投稿历时5年 | 大脑中的“治安官”





撰文 | Qi

#神经退行疾病#

人类基因组表达成千上万的天然反义转录物（natural antisense transcripts, NAT） ， 可以调节表观遗传状态、转录、RNA稳定性或其重叠基因的翻译【1】 。 tau蛋白是一种稳定轴突微管的神经元固有的内在无序蛋白（intrinsically disordered protein, IDP） ， 过度磷酸化、易聚集的tau会形成tau蛋白病的标志性包涵体【2】 。 此外 ， 已有研究报道MAPT（tau蛋白编码基因）突变导致家族性额颞痴呆 ， MAPT H1单倍型的常见变异是许多tau蛋白病和帕金森病的重要危险因素 。 MAPT-AS1 ， 作为一种富含于大脑的NAT ， 是否以及如何参与tau蛋白病等神经退行性疾病的过程还不得而知 。


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2021年5月19日 ， 来自英国UCL皇后广场神经病学研究所的 Rohan de Silva和Roberto Simone团队在Nature杂志上发表了一篇题为MIR-NATs repress MAPT translation and aid proteostasis in neurodegeneration 的文章 ， 这项研究报道了MAPT-AS1包含一个嵌入的哺乳动物广泛散布重复序列（mammalian-wide interspersed repeat, MIR） ， 能通过与MAPT mRNA内部核糖体进入位点来竞争核糖体RNA配对从而抑制tau蛋白翻译 ， 表明MAPT-AS1在tau蛋白病中发挥关键作用 ， 并揭示了MIR-NATs对IDPs的严格控制翻译的潜在广泛贡献 ， 尤其与神经退行性变中的蛋白质稳定相关 。


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【Nature投稿历时5年 | 大脑中的“治安官”】
人脑RNA-seq数据显示MAPT-AS1组织分布与MAPTmRNA相似 ， 两者呈正相关 。 为了评估MAPT-AS1在疾病中的作用 ， 作者首先分析了最近其他研究的几项多组学数据【3, 4】发现tau病理严重程度与MAPT-AS1水平呈负相关 。 随后 ， 作者利用siRNA和慢病毒感染两种方法沉默MAPT-AS1以检测其对MAPT表达的影响 ， 结果均导致tau蛋白水平显著增加而不影响MAPT mRNA水平 。 那么在这个过程中 ， 究竟MAPT-AS1的哪部分序列在发挥作用呢？为此 ， 作者在SH-SY5Y细胞中稳定表达全长MAPT-AS1或靶向缺失截断体 ， 再次验证不同结构域对tau的翻译抑制作用 。 结果显示 ， MAPT-AS1以模块化的方式起作用 ， 需要5′ 区赋予靶特异性 ， 3′MIR CORE-SINE区来介导翻译抑制 。

先前研究已经表明 ， Tau翻译可通过cap依赖性和内部核糖体进入位点（internal ribosome entry site, IRES）介导的机制发生【5, 6】 。 接下来 ， 作者想知道可以直接干扰核糖体向MAPT 5′UTR募集的MAPT-AS1必要基序 。 于是作者使用7-nt窗口对MAPT-AS1、18s rRNA和MAPT-5′UTR之间的相似性进行BLAST ， 发现MIR中有两个7-mer基序 ， 其中之一与和18s rRNA相互作用的tau-IRES序列相同 ， 另外一个与之互补 ， 表明MIR与第一个IRES基序竞争rRNA结合 ， 并直接阻断第二个IRES基序 ， 从而影响核糖体的募集 。


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图1. 两个MIR基序对于MAPT-AS1介导的tau翻译抑制示意图
上述实验均在细胞水平上完成 ， 作者接下来想知道MAPT翻译抑制的体内效应 。 先前已经报道包含人MAPT基因的htau转基因小鼠模型可以显示出年龄依赖性的tau病理学和迟发性行为障碍 ， 于是 ， 作者将MAPT-AS1-FL、MAPT-AS1-ΔMIR、MAPT-AS1-miniNAT（完全具备抑制tau翻译的能力）、eGFP的腺相关病毒单侧注射到小鼠海马体中 ， 与对照相比 ， 注射表达MAPT-AS1-FL或MAPT-AS1-miniNAT的腺病毒的小鼠大脑显示出总体及磷酸化的tau水平显著降低 。 结合先前数据库提供的信息 ， 作者认为MAPT-AS1水平的降低和H1单倍型的存在可以共同促进tau-IRES的高活性 ， 并通过破坏tau蛋白稳定来增加帕金森病的风险 。

除了MAPT-AS1对tau的翻译调控之外 ， 是否还有类似的反义转录物也能发挥类似的调控作用呢？基于与MAPT-AS1相似的拓扑结构 ， 作者选择了PLCG1-AS（PLCG1是一种在阿尔兹海默症中失调的基因）来进行验证 ， 它包含了一个9-mer 基序的反向MIRb ， 互补于PLCG1的5'UTR以及18S rRNA ， 同样可以竞争核糖体募集达到翻译抑制的作用 。

所以说MIR-NATs在大脑中对神经退行性变相关基因的翻译调控并非个例 ， 为了了解MIR-NATs与疾病之间更广泛的关系 ， 作者对来自阿尔茨海默病患者死后大脑的三个大型数据集进行了转录组学meta分析 。 有趣的是 ， 与健康对照组相比 ， 在AD患者中鉴定出446对差异表达的MIR-NATS-AS 。 其中超过40%的基因与编码高度IDPs的基因配对 ， 且显著富集于神经退行性疾病（NDD）相关的基因 ， 提示MIR-NATs在许多IDPs的转录后调控和神经元蛋白质稳定中 ， 尤其是在NDD相关基因中的作用具有广泛的潜力 。

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