Neuron珍藏版综述：非编码RNA在神经环路连接和重塑中的调控作用

非编码RNA（non-coding RNA，ncRNAs）是指不编码蛋白质的RNA。人类基因组中80%以上的RNA是转录的， 其中非编码RNA的数量远远超过了编码蛋白质的mRNA，后者来自不到5%的人类基因组。非编码RNA 从长度上划分主要分为2大类：小非编码RNA（< 100 nt），研究最广泛的是微小RNA (miRNAs)，还包括siRNAs，piRNAs，tRNAs， rRNAs， snoRNAs等；长链非编码RNA (lncRNA，>500 nt），包括lincRNAs、circRNA、反义RNA。

2023年5月瑞士联邦理工学院神经科学研究所Gerhard Schratt教授在国际著名杂志Neuron上发表综述文章，阐述非编码RNA在神经和神经精神疾病中对神经环路的发育、内稳态和可塑性中的重要调控作用。

一

与环路相关的非编码RNA

miRNA是所有非编码RNA家族中最典型的，因为它们发现较早，并且其细胞机制已被详细阐明。特别是，其对轴突引导、树突发生和体外树突棘发育的调节已被深入探讨。2012年第一个miRNA（miR-9）被证明通过微管蛋白MAP1B的局部调控来控制脑源性神经营养因子（BDNF）依赖性的轴突生长。此外，在视网膜神经节细胞（RGCs）中，BDNF刺激可导致miR-132的增加，从而促进轴突分支。在非洲爪蟾RGCs轴突中，miR-182通过靶向肌动蛋白解聚因子cofilin调控slit2介导的轴突引导。最近的研究进一步表明，Sema3A诱发miR-181a前体分子沿着轴突主动运输，并在生长锥处局部加工至成熟形式。总之，这些研究表明，在轴突发生过程中，肌动蛋白和微管网络是调控局部miRNA依赖的蛋白质合成调节的关键。

树突生成（Dendritogenesis）是环路的另一个调节层，需要严格调节细胞骨架。然而，由于技术的复杂性，miRNA调控树突发育的体内研究工作很少。值得注意的是miR-9：miR-9通过靶向转录抑制因子1（RE-1）默转录因子（REST），影响海马 CA1锥体神经元树突发育，反过来，REST可以调节miR-9表达水平。有趣的是，早期发育中miR-9依赖性树突发生的损伤导致成年小鼠恐惧记忆的形成增强，这表明miRNA在发育中的大脑环路和成年认知能力之间发挥调控作用。

另一个影响环路发育调控成人神经网络功能的miRNA是miR-101。在发育过程中海马miR-101的短暂缺失会导致成年小鼠的环路兴奋性增加和记忆障碍。在机制上，miR-101的暂时缺失导致Na-K-Cl共转运蛋白1 （NKCC1）水平升高，阻止γ-氨基丁酸（GABA）开关的成熟，从而导致体内初级树突更长，自发同步活性增加。电生理记录结果显示，敲除miR-101进一步导致兴奋性和抑制性突触后电流增强。

图1：非编码RNA在神经环路发育中的作用

二

通过调节突触信号和结构可塑性参与

环路重塑的非编码RNA

自从发现脑特异性miRNA局部作用于突触调节树突棘的发育以来，人们一直推测miRNA可能在活动依赖性的环路重塑中发挥类似的重要作用。miRNA参与记忆形成的第一个证据来自缺乏转录抑制因子Sirt1 的KO小鼠，该小鼠表现出miR-134表达增加，这反过来导致环磷酸腺苷（cAMP）反应元件结合蛋白1（CREB1）和BDNF蛋白水平降低，以及LTP维持和记忆获取受损。过表达miR-134可以部分修复这些损伤，表明Sirt1在生理条件下抑制miR-134的表达，从而缓解CREB1的抑制。CREB1可以被其他miRNA（miR-34a， miR-9）靶向调控，表明其在调节可塑性中的核心作用。

图2：非编码RNA在神经环路重塑中的作用

三

神经精神疾病中非编码RNA介导的环路可塑性

神经发育障碍（自闭症、癫痫和精神分裂症）和情绪障碍（单相/双相抑郁/焦虑）疾病的一个共同点是它们具有复杂的病因，主要是由发育期和成年期的基因-环境相互作用驱动的。大部分研究仅仅报道非编码RNA在疾病状态之间的表达差异，很难区分因果关系。

1. 癫痫

Jimenez-Mateos等人发现沉默miR-134-5p的神经保护和对癫痫的长时间抑制作用。后续研究证实了miR-134-5p的抗癫痫作用，使miR-134-5p成为最有希望治疗癫痫的miRNA靶点之一。沉默miR-134-5p的抗癫痫作用的可能机制是miR-134作为兴奋性突触的稳态调节剂。

然而多巴胺能神经元中miR-128-3p的功能丧失被证明会诱发癫痫发作，可能是由于ERK信号的过度激活和伴随的神经元兴奋性病理增加。尽管miRNA在癫痫中的研究已经相当多，但lncRNA的研究结果仍然非常有限。一种特殊的circRNA， circ_Satb1是一个特别有希望的候选者，因其在内侧颞叶癫痫（mTLE）患者中减少，并调控树突棘的发育。但这种circRNA是否与癫痫发作有因果关系还有待进一步的实验。

2. 精神分裂症（Schizophrenia，SZ）

在非编码RNA的研究中，研究最深入的神经发育疾病是精神分裂症。与SZ相关的大型GWAS研究中发现miR-137的相关性，激发了一系列的动物实验功能研究。早期结果表明，miR-137通过对关键突触基因的转录后调控来调节海马锥体神经元的突触前和突触后功能。此外，BNDF和Neuregulin（NRG）通路的组分都是神经发育的重要调节因子，可能是miR-137调控的关键点。在行为学水平上，小鼠中miR-137功能的丧失和获得都会损害社交能力和学习能力，在SZ患者中也观察到这两种表型。

3. 抑郁症和双相障碍

在各种啮齿动物应激模型以及死后情绪障碍患者的大脑和外周血中，普遍存在miRNA失调。最近，研究证实miR-218在小鼠抑郁样行为中的作用。中央前额叶皮层（mPFC）中miR-218的下调会增加小鼠对社交挫败应激的易感性，而过表达mPFC锥体神经元中miR-218的可增加应激抵抗。有趣的是，应激介导的皮层miR-218水平的改变也表现在血液中，表明循环miR-218可能是应激易感性的生物标志物。

另一个充分表征miRNA作用机制的例子是miR-499-5p。miR-499-5p在早期生活应激大鼠模型和外周细胞中表达增加。miR-499-5p在患有双相障碍患者而非重度抑郁症患者中选择性上调，这使其成为一个有吸引力的生物标志物候选者。在机制上，miR-499-5p靶向l型电压钙通道的重要调控亚基，从而限制神经元钙内流和活性依赖性树突发生。

女性患抑郁症的几率是男性的两倍，在抑郁症患者的大脑中，某些lncRNA具有显着的性别特异性表达。灵长类特异性的LINC00473在抑郁的雌性PFC中主要下调，在mPFC神经元中过表达LINC00473仅在雌性小鼠中增加应激抵抗。在机制上，LINC00473调节雌性小鼠的突触前和突触后功能。其他lncRNA（FEDORA， GM2694）最近被确定为抑郁症的性别特异性调节因子，表明lncRNA在神经环路的性别特异性调控中发挥广泛的作用。

总结

由于非编码RNA稳定且容易在外周体液中检测到，近年来，将非编码RNA作为神经和精神疾病的生物标志物的研究激增。纳入更多的非编码RNA如circRNA，将进一步推动这一领域的发展。

基于非编码RNA的治疗方法更具挑战性，在进入临床之前必须克服许多障碍——大脑输送、特异性和毒性。尽管如此，寡核苷酸疗法目前正在见证“第二春”，将这一知识应用于非编码RNA，为开发对抗疾病的创新策略带来了巨大希望。

原始出处：

Soutschek and Schratt， Non-coding RNA in the wiring and remodeling of neural circuits，Neuron (2023).