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背景阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一种老年人中常见的以进行性认知功能障碍和行为损害为特征的神经退行性疾病。AD的主要病理改变为细胞外Aβ淀粉样蛋白沉积和细胞内tau蛋白异常磷酸化伴随突触和神经元的丢失,主要累及部位为皮层和海马。目前该病缺乏有效药物治疗,其病因与发病机制尚未阐明。长链非编码RNA(long non-coding RNAs,IncRNAs)是一类长度超过200个核苷酸,无或少有蛋白编码功能的非编码RNA分子。可参与多种途径基因表达调控过程。目前关于IncRNAs与AD的研究中,差异表达的IncRNAs及其功能研究主要集中于海马区,尚无前额叶皮层(prefrontal cortex,PFC)差异分析的系统阐述。有文献报道,在对118例AD患者神经影像学的观察中发现,AD患者常出现的妄想,淡漠,抑郁等精神症状与PFC紧密相关。因此本研究采用高通量测序的方法检测IncRNAs在AD患者与正常对照组PFC,AD模型小鼠和野生型小鼠PFC转录组改变,筛选出AD相关差异性表达的mRNA和IncRNAs并进行比较分析。随后对AD患者转录组数据进一步挖掘,结合功能预测和预实验结果,我们选择AD患者PFC组织中差异性高表达的IncRNA母系表达基因3(Maternally expressed gene,MEG3)并运用生物化学、分子生物学、细胞学等手段,对MEG3进行生物学功能研究,尝试阐明其在AD中的作用机制。方法利用高通量测序技术检测AD患者和正常对照组,AD模型小鼠和野生型小鼠PFC组织中mRNA和IncRNAs的表达。综合差异表达分析、聚类分析、功能富集分析、共表达网络分析等方法筛选出AD组差异表达的mRNA和IncRNAs,并对其功能进行预测。使用NCBI BLASTN将人IncRNAs序列与小鼠IncRNAs序列相对比,分析序列相似性;DAVID软件用于靶基因功能注释;利用Spearman相关系数分析AD患者和AD模型小鼠PFC IncRNAs的表达模式;构建IncRNA MEG3真核表达载体,并在神经细胞中过表达和抑制其表达,用cck-8方法检测细胞增殖情况,观察细胞神经突样结构,利用RNAscope方法定位MEG3,利用qRT-PCR、免疫印迹和免疫荧光的方法检测MEG3共表达蛋白组蛋白去乙酰化酶2(Histone Deacetylases 2,HDAC2)HDAC2表达水平,以及突触相关蛋白的表达。结果人和小鼠PFC IncRNAs长度、表达量以及序列保守性都低于mRNA。在人和小鼠PFC中同源mRNA及IncRNAs表达模式高度保守,表达保守性与序列保守性呈正相关。人与小鼠PFC高表达基因显著富集的BP和KEGG通路在两物种间相似,包括蛋白翻译、能量生成与代谢、氧化磷酸化、核酸合成与代谢、质子转运等基本生物功能;人和小鼠前额叶皮层高表达IncRNAs显著富集的BP分别为52个和40个;人PFC相对高表达IncRNAs主要涉及翻译起始、病毒转录、核糖体加工、翻译、神经元凋亡负调控、黑质发育、突触可塑性调节、脑发育和神经系统发育。小鼠PFC相对高表达IncRNAs主要包括微管介导合成、钙离子依赖的细胞分泌、心机收缩调控、离子转运等;与神经活动相关的BP有化学突触传递。与对照组相比,AD组差异表达的已知IncRNAs共750条,上调IncRNAs 655条,下调95条;差异表达IncRNAs主要参与凋亡和p53信号通路,细胞生物合成,囊泡介导转运等生物学过程。差异表达的mRNA共388条,上调和下调的mRNA分别为167条和221条。AD模型小鼠中差异表达IncRNAs共227条,上调的IncRNAs 221条,下调的6条;差异表达IncRNAs主要参与凋亡、B细胞受体信号通路、突触囊泡的定位和转运等生物学过程。差异表达的mRNA共222条。上调和下调的mRNA分别为202条和20条。AD患者和AD模型小鼠之间差异表达的IncRNAs和mRNA中,发现17对保守的IncRNAs和12对同源基因。在信号通路水平上,差异基因参与的炎症反应过程和toll样受体信号通路在AD患者和AD模型小鼠之间是保守的。对于差异表达IncRNAs所关联mRNA富集分析结果显示,细胞凋亡和JAK-STAT信号通路在AD患者和AD模型小鼠之间是保守的。AD患者PFC组织高表达IncRNA MEG3具有抑制神经细胞增殖的能力,使神经突样结构缩短减少。MEG3定位于胞核,在神经细胞SH-SY5Y细胞中过表达MEG3可以显著地促进HDAC2的表达,并降低突触相关蛋白如NR2B、PSD-95、CamkII、synaptophysin和tubulin表达水平。反之,抑制MEG3表达后,HDAC2表达水平下降,突触相关蛋白NR2B、PSD-95、CamkII、synaptophysin 和 tubulin 表达水平增高。结论本研究发现人与小鼠PFC高表达基因的主要功能相似;同源mRNA及IncRNAs表达模式保守,这可能是人与小鼠PFC结构及细胞类型保持一致的遗传基础。然而人PFC高表达IncRNAs显著富集的BP节点比小鼠多;与神经活动相关的BP也显著多于小鼠,主要涉及神经元凋亡负调控、突触可塑性调节和神经系统发育。AD患者和AD模型小鼠PFC与各自正常对照组相比,IncRNAs的表达存在显著性差异。AD患者PFC中差异表达IncRNAs相对于AD模型小鼠表达类型更多样,含量更丰富,功能更复杂;其中IncRNAs参与的细胞凋亡和JAK-STAT信号通路在AD患者和AD模型小鼠之间一致。这些结果为利用模型小鼠进行AD相关机制和治疗研究提供一些思路,并为生物进化和比较医学提供了一点线索。AD患者PFC组织高表达IncRNA MEG3可能通过影响HDAC2蛋白及突触相关蛋白表达,抑制神经细胞增殖和神经突样结构形成,从而参与AD认知功能的损伤。