通过NEIL3缺失视角剖析发育中海马体的基因表达网络

背景介绍

海马作为大脑的重要区域，以其在记忆巩固、信息处理和情绪调节中的关键角色而备受关注。在神经科学领域的研究中，海马的基因调控机制被认为对其正常发育、突触可塑性和功能适应性至关重要。然而，尽管对基因表达差异的分析已确定了卷入海马回路组织和功能的关键基因，但更广泛的基因表达模式和高阶功能仍未被充分了解。

NEIL3是一种DNA糖基化酶，广泛存在于发育中的中枢神经系统中，包括海马神经形成区和背侧室区。已有研究表明，NEIL3在神经前体细胞存活、脑卒中后神经生成功能和海马成年神经生成功能中的作用显著。基于这些背景，本文作者决定进一步探讨NEIL3在海马发育中的作用。

研究来源

该研究由Norwegian University of Science and Technology（NTNU）的Anna M. Bugaj, Nicolas Kunath, Vidar Langseth Saasen等人完成，并已发表在《Progress in Neurobiology》期刊（2024年，第235卷，文章编号102599）。该论文在线发布时间为2024年3月24日。

研究流程

实验对象与样本处理

实验使用了野生型（C57BL/6N）和NEIL3-/-小鼠，共有42个转录组样本，涵盖了p8（幼年）和3个月（成年）两个主要发育阶段，分别来自海马的CA1、CA3和齿状回（DG）区域。

组织采集

小鼠通过异氟烷麻醉和戊巴比妥钠过量注射进行安乐死后，进行脑部心内灌流，用生理盐水和4%多聚甲醛固定脑组织，并对固定后的脑组织进行切片和免疫组织化学染色。

RNA测序流程

使用RNA提取试剂盒提取RNA样品，并由BGI基因组学公司进行转录组测序。样本在BGISEQ-500平台上测序，产生了大约4.92GB的读数数据，生物信息学分析在研究实验室内完成。

数据预处理与加权基因共表达网络分析（WGCNA）

对15000个最具变化的基因进行加权基因共表达网络分析，利用层次聚类法将基因分组，构建模块，并通过模块特征关系图评估模块与发育阶段的相关性。

主要研究结果

霍奇金成熟延迟现象

研究发现在海马的所有亚区（CA1、CA3和DG）中，NEIL3缺失显著延迟了神经元的成熟，但对成年小鼠的成熟神经元总数没有明显影响。免疫组织化学分析显示，NEIL3缺失小鼠在P26时的成熟神经元比例显著低于野生型小鼠。

基因表达差异分析

RNA测序和主成分分析表明，不同年龄、脑区和基因型是主要的变异决定因素。NEIL3缺失显著影响了新生海马的总体基因表达，尤其是在幼年状态下，暗示NEIL3在海马发育中具有重要作用。

基因共表达网络的不同

WGCNA分析揭示，野生型和NEIL3-/-小鼠的基因共表达网络在连通性和模块特异性上存在显著差异。野生型小鼠中通过层次聚类分析识别出11个不同模块，但这些模块分布在NEIL3-/-小鼠中则完全改变，显示出NEIL3在维持基因网络结构和动态中的重要性。

模块分析

在野生型海马转录组中识别出各个模块，其中包含不同发育阶段高度交互的基因网络。部分模块中的关键枢纽基因在幼年齿状回和成年CA1/CA3中上调，其他部分模块中的枢纽基因则在成年海马区域特异性地上调。

NEIL3对模块连通性和特异性的影响

NEIL3缺失导致模块连通性总体上减少，尤其是在一些特定模块中如1-棕模块、5-黑模块、6-品红模块等。针对这些模块进行的分析显示，NEIL3通过影响这些模块中的关键枢纽基因来驱动幼年的特异性基因共表达网络。

结论

本文通过使用WGCNA结合DGE分析，进一步深入探讨了NEIL3对海马发育分子机制的影响。结果显示，NEIL3缺失导致海马基因共表达网络的连接性和特异性受到显著影响，揭示了基因连接性和功能连接性之间的潜在关联，为理解海马功能提供了系统层面的分析。此研究为未来针对海马功能和相关神经病理状态的研究奠定了基础。

研究亮点

1. 明确了NEIL3在海马神经元成熟中的关键作用。
2. 通过加权基因共表达网络分析识别了与海马发育相关的特异性基因模块。
3. 揭示了NEIL3缺失对基因共表达网络结构和功能的影响。
4. 提供了一个综合系统级框架以评估基因连接性和海马网络功能连接性之间的潜在相关性。

这篇文章体现了NEIL3在海马发育中的独特作用，并通过细致的分子和细胞水平的分析，揭示了神经发育过程中基因表达的精细调控机制。该研究不仅丰富了我们对海马神经网络复杂性的理解，还为未来针对海马在神经病理状态中的研究提供了重要参考。