Nature子刊+PNAS：华中科大团队和清华团队发现miRNAs调控记忆和认知的新机制
阿尔兹海默症（Alzheimer’s Disease，AD）是目前世界上最常见的神经退行性疾病之一，其最典型临床表现是进行性认知功能减退，这种认知异常在还未有典型的病理特征（淀粉样斑块和神经纤维缠结）的疾病早期就已经有所表现。
在大脑中，神经突触是基本的功能结构，在AD早期发现了突触活动异常以及突触丢失，而突触对于学习和记忆的形成与调控也十分关键。
为了深入了解AD早期病程中突触功能异常的机制，来自华中科技大学同济医学院/基础医学院的朱铃强教授与鲁友明教授强强联合，专注于研究微小RNA（miRNAs）在AD病程中对突触功能的作用，揭示了在AD早期miR-135a-5p表达减少导致了突触功能异常以及记忆能力损伤。
这项工作于2021年3月26日发表在Nature子刊《Nature Communications》上。
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1.AD中miR-135a-5p表达下调
miRNA是一类长约22bp的非编码RNA，能够精确调节突触上突触相关蛋白的局部翻译。且研究发现AD患者的脑组织或血清中有大量miRNA表达失调，与淀粉样斑块和神经纤维缠结的形成以及突触可塑性异常相关。
通过表达谱测序以及qRT-PCR验证发现在APP/PS1转基因AD小鼠在6月龄时，其海马中突触miR-135a-5p表达已经下调，且随着年龄增长其表达水平下调越明显。另外，在AD患者皮层也观察到同样的现象，且只表现在兴奋性神经元中。
而进一步分析Tau、APP和PS1与miR-135a-5p的表达相关性，发现在Tau与miR-135a-5p的表达呈负相关性，提示着miR-135a-5p的减少是Tau依赖性的（图1）。
图1 AD小鼠中miR-135a-5p表达下调
那么miR-135a-5p的减少是什么原因导致的呢？通过检测miR-135a-5p的前体转录本表发水平，发现在6月龄APP/PS1小鼠的海马中pri-miR-135a-1表达水平减少。
进一步分析与pri-miR-135a-1启动子(P-135a)结合的潜在转录因子，发现转录因子Foxd3能够与P-135a结合，并且Foxd3在APP/PS1小鼠以及P301S tau小鼠中表达减少。这些结果表明miR-135a-5p表达减少是由于Foxd3减少所介导的。
2.miR-135a-5p的表达与记忆能力和突触结构功能相关
对6月龄的C57野生型小鼠海马注射AAV-miR-135a-5psponge (S-135a)来降低miR-135a-5p的丰度后，小鼠在水迷宫、巴恩斯迷宫、恐惧记忆等学习记忆任务中的记忆能力明显变差，表明miR-135a-5p水平降低能够诱导AD样的学习记忆损伤表现（图2）。
图2 miR-135a-5p水平降低导致记忆损伤
另一方面，海马的突触可塑性是学习记忆的基础。降低海马中miR-135a-5p的水平后，CA3-CA1环路的突触传递出现了异常，即兴奋性突触后电位抑制从而导致了长时程突触可塑性异常，提示着miR-135a-5p表达降低阻滞了突触传递。
同时，降低miR-135a-5p也会导致树突棘密度减少，尤其是导致被称为“记忆树突棘”的蘑菇样树突棘数量减少，进一步地导致了树突复杂性降低。这些结果显示miR-135a-5p水平降低能够诱导AD中出现的突触异常现象（图3），提示着miR-135a-5p可能通过影响突触结构功能进而影响学习记忆能力。
图3 miR-135a-5p水平降低导致突触结构功能异常
3.miR-135a-5p/Rock2通路
导致AD树突棘和记忆损伤
为了找到miR-135a-5p介导突触异常的下游靶点，需要进行下游结合靶点和信号通路的预测。根据预测结果加以验证，发现在APP/PS1小鼠中Rho关联卷曲螺旋蛋白激酶2（Rock2）表达显著上调。
进一步验证发现Rock2能够直接与miR-135a-5p的3’UTR结合，且miR-135a-5p的增加或减少能够直接调控Rock2的蛋白表达水平（图4），意味着miR-135a-5p能够直接对Rock2进行转录后调控。
接着对Rock2激活后介导突触异常的下游效应因子进行分析探索，根据生信结果检验发现，在AD患者和AD小鼠中内收蛋白1（Add1）的726位（S726-A1）磷酸化水平上调，同时伴随着Rock2的表达水平增加，且miR-135a-5p与Rock2、S726-A1呈负相关，而Rock2与S726-A1呈正相关（图5）。
总而言之， miR-135a-5p表达减少会导致Rock2异常激活，随后通过上调S726-A1磷酸化水平使细胞骨架异常。
最后，恢复APP/PS1小鼠的miR-135a-5p表达水平或者是沉默Rock2，不仅能够降低S726-A1的磷酸化水平，还能够恢复树突棘的密度，促进树突棘成熟，并且部分恢复AD小鼠的突触传递以及记忆能力，表明miR-135a-5p/Rock2信号通路也许就是介导AD早期突触功能异常以及记忆损伤的原因之一，为AD治疗药物开发提供新的思路。
原文链接：
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33771994/
编译作者：Sybil（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
近期，我们还分享了另外一篇相关的文献：
PNAS：清华姚骏组发现miR-218-2调节海马认知功能及其机制
在本研究中，作者通过CRISPR/Cas9技术构建miR-218-1和miR-218-2基因敲除小鼠，揭示了miR-218在大脑中广泛表达，尤其是在海马中表达水平最高；而敲除miR-218-2基因后，miR-218在海马中表达水平显著下降。随后，通过条件恐惧实验、水迷宫和T迷宫行为学测试发现，miR-218-2基因敲除小鼠的认知能力出现明显缺陷。此外，在小鼠海马区通过病毒注射过表达miR-218则会使小鼠在行为学测试中展现出增强的认知功能。
为搞清miR-218-2基因敲除小鼠认知缺陷的分子机制，作者利用全细胞膜片钳技术、高尔基染色和冷冻电镜技术分析miR-218-2基因敲除神经元的发育、形态和电生理特征，发现miR-218-2敲除的海马神经元中兴奋性突触的突触囊泡释放减少，作为学习记忆分子基础的长时程增强（LTP）减弱；miR-218-2缺失神经元的树突总长度和分支数减少，突触密度上升；并且，电镜分析结果显示，miR-218-2敲除神经元中突触囊泡的转运分布出现缺陷。此外，过表达miR-218则会导致相反的神经元表型。
进一步，作者结合RNAseq和miR-218靶基因预测数据并进行KEGG分析，筛选出可能的miR-218靶基因。利用qRT-PCR和双荧光素酶报告基因分析，确认了补体因子C3、Mmp13和Gdnf这三个基因为miR-218候选靶基因。经电生理实验验证，发现只有C3敲低的神经元表型与miR-218过表达神经元完全一致、直接使用C3蛋白多肽处理野生型小鼠可以模拟miR-218-2基因敲除小鼠的行为和细胞表型，而使用C3a受体拮抗剂SB290157处理miR-218-2基因敲除小鼠则可以挽救miR-218-2基因敲除小鼠的突触功能和认知缺陷。因此，作者得出结论，补体因子C3是miR-218调节突触功能的主要靶基因。
综上所述，miR-218-2基因在小鼠海马中通过靶基因C3调节神经元的形态和突触囊泡的转运与释放，进而影响神经元的突触可逆性和LTP的发生，最终影响小鼠的认知功能。该研究揭示了的神经退行性疾病和神经精神疾病可能通过共通的miR-218相关机制产生认知障碍，为后续的疾病认知缺陷的治疗提供了新的思路和方向。
图 |miR-218通过C3调节海马认知功能