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The Long Noncoding RNA Landscape in Amygdala Tissues from Schizophrenia Patients
The Long Noncoding RNA Landscape in Amygdala Tissues from Schizophrenia Patients
精神分裂癥患者腦杏仁核組織中長鏈非編碼RNA表達譜
期刊：EBioMedicine；影響因子:6.183
發(fā)表單位：賓夕法尼亞大學
導 讀
精神疾病非編碼RNA表達譜研究，本研究使用不同精神狀態(tài)腦杏仁核區(qū)域與正常人杏仁核區(qū)域進行RNAseq，鑒定lncRNA, mRNA的表達情況。分析精神分裂癥患者腦杏仁核區(qū)域與正常人基因差異表達情況。通過相關性分析，WGCNA分析等將lncRNA關聯(lián)到mRNA，以鑒定lncRNA的功能。
摘 要
大多數(shù)精神分裂癥的轉(zhuǎn)錄組研究都集中在蛋白質(zhì)編碼基因的上。長鏈非編碼RNA正在成為細胞和疾病過程的關鍵組織特異性調(diào)節(jié)因子。杏仁核腦區(qū)與精神分裂癥的病理生理學有關。我們使用RNA-seq對來自22名精神分裂癥患者和24名非精神病學對照的杏仁核組織進行了轉(zhuǎn)錄組學研究。我們重建了杏仁核轉(zhuǎn)錄組，并采用系統(tǒng)生物學方法來詮釋lncRNA的功能作用。因此，我們鑒定了839種新lncRNA。lncRNAs比蛋白質(zhì)編碼基因更具亞型特異性。我們確定了與“突觸傳遞”，“核糖體”和“免疫反應”相關的功能模塊，這些模塊與涉及lncRNA的精神分裂癥病理生理學相關。
研究背景
研究lncRNAs的主要障礙是它們的低表達水平。它需要非常高的RNA-Seq測序深度，這在許多先前的轉(zhuǎn)錄組研究中通常是缺乏的。因此，盡管已經(jīng)進行了許多精神分裂癥的轉(zhuǎn)錄組研究，但大多數(shù)研究都沒有研究lncRNAs，部分原因是由于測序深度要求高以及目前已知的lncRNA缺乏注釋。劉等人表明精神分裂癥患者杏仁核區(qū)非編碼RNA失調(diào)，但對于lncRNA在精神分裂癥中的功能作用缺乏系統(tǒng)的論證。通過其在情緒處理中的重要作用，杏仁核地區(qū)已經(jīng)參與了精神分裂癥的病理生理學。為了鑒定與精神分裂癥相關的杏仁核特異性lncRNAs，我們使用具有高測序深度的RNA-seq進行了人類杏仁核區(qū)域的無偏全轉(zhuǎn)錄組特異性分析。
材料方法
樣本：我們從Lieber腦庫（http://www.libd.org）獲得了死后大腦的45個杏仁核樣本，包括9個未分化，7個紊亂，5個偏執(zhí)狂和24個沒有精神病診斷的對照。樣本描述和RNA-Seq數(shù)據(jù)可在https://www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/379666獲得。
建庫方法：富集PolyA尾方法建庫。
分析方法：HISAT2比對，StringTie組裝，DESeq2差異分析，WGCNA共表達網(wǎng)絡構(gòu)建，GSEA功能富集分析。
研究結(jié)果
1
鑒定一組嚴格的新杏仁核lncRNAs
為了發(fā)現(xiàn)新的lncRNA，我們首先從所有45個樣品的RNA-Seq數(shù)據(jù)組裝轉(zhuǎn)錄組，去除具有蛋白質(zhì)編碼潛力或低質(zhì)量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)錄本。我們鑒定了一組高質(zhì)量的839個的lncRNA基因。我們發(fā)現(xiàn)這些新型lncRNA中的絕大多數(shù)（> 80％）是基因間的，完全落入基因間區(qū)域。大約10％是反向的，以與編碼基因相反的方向轉(zhuǎn)錄，它們與它們共享啟動子。我們發(fā)現(xiàn)很少有lncRNA是miRNA宿主基因或snoRNA宿主基因。為了進一步評估這些新型lncRNA的可靠性，我們應用相同的方法從79 GTEx正常杏仁核組織的RNA-Seq數(shù)據(jù)集組裝轉(zhuǎn)錄組。結(jié)果，我們鑒定到215個新的lncRNAs，即在GTEx轉(zhuǎn)錄組中發(fā)現(xiàn)的所有外顯子，并且106個新的lncRNA在GTEx數(shù)據(jù)集中部分恢復。
2
杏仁核lncRNAs更短，更簡單，并且在低水平表達
我們首先比較了我們組裝的轉(zhuǎn)錄組的結(jié)構(gòu)，表達水平和編碼潛能。發(fā)現(xiàn)，與蛋白質(zhì)編碼基因相比，新的lncRNAs具有明顯更短的轉(zhuǎn)錄長度，較短的ORFs和較長的外顯子。與mRNA相比，這些性質(zhì)與lncRNA的外顯子估計數(shù)較低一致?？傊?，我們得出結(jié)論，杏仁核lncRNAs比mRNA更短，更復雜。
然后我們使用CPAT測量了lncRNA和mRNA的蛋白質(zhì)編碼潛力。我們發(fā)現(xiàn)已知的lncRNAs和新的lncRNAs具有相當?shù)牡偷鞍踪|(zhì)編碼潛力，顯著低于mRNAs。在其他人體組織中觀察到類似的發(fā)現(xiàn)。
3
差異表達基因和通路的鑒定
為了表征精神分裂癥相關的基因表達失調(diào)，我們對精神分裂癥亞型進行了四次差異表達分析，與正常對照樣本進行比較：（1）所有SCZs與對照，（2）紊亂SCZs與對照，（3）偏執(zhí)SCZs與對照，和（4）未分化SCZs與對照，來尋找常見的SCZ相關基因以及SCZ亞型特異性基因。在調(diào)整p值<0.05的情況下，這四種比較分別有345, 182, 2和541個差異表達的基因?？偨Y(jié)了3種亞型中差異表達的mRNA的比較。其中，我們發(fā)現(xiàn)了在先前研究報道的所有SCZ樣本中顯著差異表達的幾種蛋白質(zhì)編碼基因。這些包括HBA1，HBA2，HBB，IFITM1，GBP1，IFITM2，SERPINA3。這些結(jié)果與先前關于精神分裂癥患者杏仁核中蛋白質(zhì)編碼基因的研究相同。
為了確定哪些功能通路最強烈地參與精神分裂癥發(fā)病機制，我們對每個亞型進行了基因集富集分析（GSEA）。在FDR水平為0.1（標準p值<0.005）時，有178個，40個，355個和123個GO術(shù)語正富集基因，并且在所有SCZ，紊亂的SCZ，偏執(zhí)的SCZ和未分化的SCZ有分別有94,147,4和107個GO術(shù)語為負富集基因。當考慮所有SCZ與正常對比時，我們發(fā)現(xiàn)失調(diào)的途徑來自四個主要類別：“免疫”、“血管發(fā)育”、“核糖體和蛋白質(zhì)合成”被上調(diào)、“神經(jīng)元和突觸”被下調(diào)。我們得出結(jié)論，在精神分裂癥患者的杏仁核組織中，與免疫應答，血管發(fā)育和核糖體相關的基因途徑在表達上調(diào)，與突觸傳遞和行為相關的基因途徑被抑制。
4
精神分裂癥亞型中lncRNA的表達特征
為了確定杏仁核lncRNAs是否是精神分裂癥中的亞型特異性，我們將三種精神分裂癥亞型中的lncRNA和mRNA的表達特征與對照組進行了比較?；跓o監(jiān)督的表達譜聚類，大量的lncRNA表現(xiàn)出亞型特異性表達模式。此外，我們使用依賴于Jensen-Shannon（JS）的基于熵的度量來計算每個基因的亞型特異性得分。發(fā)現(xiàn)lncRNAs的表達比mRNA顯著更具亞型特異性n。
5
通過表達相關性研究杏仁核lncRNA的功能
缺乏詮釋使得研究lncRNA功能成為一項具有挑戰(zhàn)性的任務。然而，“通過關聯(lián)”分析有助于預測哺乳動物lncRNA的作用。因為具有相似共表達模式的基因傾向于具有相似的功能，我們使用高表達的530個lncRNA和7382個mRNA，通過分析每個lncRNA的表達動力學與45個SCZ和正常樣品中每個mRNA的表達動力學的相關性，進行了基因集富集分析來關聯(lián)GO terms and lncRNA。結(jié)果，529個lncRNA被鑒定為具有顯著相關的GO術(shù)語。我們通過層次聚類將lncRNA分組為10個簇。我們發(fā)現(xiàn)幾個簇與不同功能類別的蛋白質(zhì)編碼基因組相關，如核糖體和蛋白質(zhì)合成（簇A），血管發(fā)育（簇C），神經(jīng)系統(tǒng)和突觸傳遞（簇H）和免疫。系統(tǒng)（簇I）（圖4b）。發(fā)現(xiàn)這些途徑在精神分裂癥中失調(diào)。
6
lncRNA-mRNAs共表達網(wǎng)絡
我們使用WGCNA建立了高表達的7912基因（包括530個lncRNA和7382個mRNA）的共表達網(wǎng)絡，然后進行了網(wǎng)絡模塊分析（共使用了45個樣本）。我們確定了23個共表達模塊（補充表 S6），其中7個與精神分裂癥性狀高度相關（圖5a）：綠松石，綠色，粉紅色，綠色黃色，鮭魚色，深色和深綠色（相關p值<0.05）。為了識別每個模塊的功能，我們對mRNA進行了超幾何檢驗，以檢測每個模塊中富集的GO術(shù)語。我們發(fā)現(xiàn)綠松石模塊富含神經(jīng)元相關途徑，綠色模塊富含核糖體途徑，以及鮭魚色模塊富含免疫應答相關途徑（圖S2）。
在之后，我們將具有最高模塊內(nèi)連通性的5％節(jié)點定義為hub基因。連通性反映了節(jié)點與共表達模塊中的其他節(jié)點交互的頻率。hub基因具有最高的連接性，通常被認為是基因共表達網(wǎng)絡中的關鍵調(diào)節(jié)因子，因為它們與更多基因相互作用。綠松石模塊由來自神經(jīng)元途徑的基因富集，并且他們中的許多成員被觀察為hub基因。我們確實找到lncRNA“ENSG00000225465.8”（RFPL1S）作為綠松石的hub基因，這表明這種lncRNA可能作為該功能模塊中的關鍵調(diào)節(jié)因子。有趣的是，與“ENSG00000225465.8”正相關的基因通路包括軸突，突觸，樹突以及其他類似途徑。在綠松石模塊中有20個lncRNA直接連接到hub基因。我們發(fā)現(xiàn)它們中的大多數(shù)與突觸途徑正相關。相反，在綠色和鮭魚色模塊中，沒有lncRNA被鑒定為hub基因，但是有幾個lncRNA與hub基因直接相關。在綠色模塊中，有23個lncRNA直接連接到hub基因。GSEA顯示所有這些lncRNA與核糖體途徑相關。如GSEA所示，在鮭魚色模塊中，我們直接鑒定了與hub基因連接的一個lncRNA：“ENSG00000235501.5”（RP4-639F20.1），其與免疫途徑相關。為了將所有這些結(jié)果結(jié)合起來，通過基因共表達網(wǎng)絡，我們鑒定了七個與SCZ特征相關的共表達模塊。我們發(fā)現(xiàn)這7個模塊中有3個分別以神經(jīng)元和突觸，核糖體和免疫為主。所有這些結(jié)果表明lncRNA可能參與精神分裂癥相關的功能途徑。
討 論
與先前的RNA-Seq研究一致，我們的結(jié)果顯示lncRNAs比組織中的編碼基因低約10倍。lncRNAs的一個眾所周知的特征是它們的組織特異性。在這里，我們還觀察到精神分裂癥的不同亞型中的高特異性lncRNA，即使在單一組織中—即杏仁核。對此的解釋是，即使在單個組織中，與mRNA相比，不同患者的lncRNA可能變化更大。據(jù)我們所知，這是第一次研究表明，lncRNAs在精神分裂癥中的疾病亞型之間的差異顯著大于mRNA。
微信掃描二維碼關注公眾號回復數(shù)字 “188151” 下載文獻原文，完整譯文
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