2024年3月25日发(作者:仪夏烟)
·
372
·
JClinPsychiatry2023Vol33No.5
,,,
梁静文,余卓恒,刘宜欢,叶彩虹,许瑞环
精神分裂症患者血浆外泌体微小
RNA
差异
表达谱及其生物信息学分析
·论著·
目的
:探讨精神分裂症患者及正常人群血浆外泌体微小
RNA
(
miRNA
)的差异表达,初步了
摘要:
采用高通量测序技术检测
48
例精神分解差异表达
miRNA
在精神分裂症病程发展中的作用。
方法
:
构建
miRNA
差异表达谱。预测表达差裂症患者和
48
名健康对照者的血浆外泌体
miRNA
的表达水平,
异显著的
miRNA
的靶基因,再对靶基因进行
GO
功能注释和
KEGG
通路分析,确定差异表达
miRNA
的
主要生物学功能及其可能参与的信号通路。
结果
:与对照组相比,精神分裂症患者血浆外泌体共筛选
196
个表达下调。通过
GO
富集和
KEGG
分析,其中
157
个表达上调,上出
353
个
miRNA
显著异常表达,
述差异表达的
miRNAs
主要涉及神经元细胞体、谷氨酸能突触、神经元间突触、突触前和突触膜等细胞
组成,并主要参与轴突新生、化学突触传递调节、跨突触信号调节等生物过程,可能通过
MAPK
信号通
PI3KAkt
信号通路、
TNF
信号通路、
Wnt
信号通路、
FoxO
信号通路、路、多巴胺能突触及
Hippo
等信号通
经药治疗精神分裂症患者血浆外泌体中
miRNAs
存在显路参与精神分裂症的发生和发展过程。
结论
:
著的差异性表达,
miRNA206
、
miR1425p
、
miR1395p
、
miR133b
等
miRNA
可能通过
MAPK
信号通路、
PI3KAkt
信号通路等在精神分裂症的发生发展过程中发挥重要作用。
关键词:
精神分裂症;
血浆;
外泌体;
微小
RNA
;
生物信息学分析
R749.4
文献标识码:
A
文章编号:
10053220
(
2023
)
05037205
中图分类号:
DifferentialexpressionprofileandbioinfomaticanalysisofplasmaexosomalmiRNAinschizophrenia
LIANGJingwenYUZhuohengLIUYihuanYECaihongXuRuihuan.ClinicalLaboratoryLonggangDis
tricCentralHospitalShenzhen518172China
Abstract ObjectiveToexplorethedifferentialexpressionofplasmaexosomalmicroRNAintheschizo
phrenicpatientsandnormalpopulationindividualsandtounderstandtheroleofdifferentiallyexpressedmiRNA
intheprogressionofschizophrenia. MethodHighthroughputsequencingtechnologywasusedtodetectthe
expressionlevelsofexosomalmiRNAinplasmasamplesfrom48schizophrenicpatientsbymedicationand48
healthycontrolsandtoconstructmiRNAdifferentialexpressionlevel.Predicttargetgenesofdifferentiallyex
pressedmiRNAsandthenGeneOntologyGOandKyotoEncyclopediaofGenesandGenomesKEGGpath
wayanalysiswereperformedonthetargetgenesdeterminethemajorbiologicalfunctionsofdifferentiallyex
pressedmiRNAandtheirpossiblesignalingpathways. ResultsComparedwithnormalindividualstherewere
353significantlydifferentiallyexpressedmiRNAsinplasmaofschizophrenicpatientsofwhich157wereupreg
ulatedand196downregulated.ThroughGOenrichmentandKEGGanalysisthemiRNAsinvolvedinneuronal
,
:
,
,
:
,
,,,
:
,
,
()
,
()
:
,,,,
components
,
andparticipatedinmultiplebiologicalprocessessuchasaxonogenesis
,
modulationofchemicalsyn
aptictransmissionandregulationoftranssynapticsignaling.Moreover
,
themiRNAsmayparticipatedintheoc
currenceanddevelopmentofschizophreniathroughMAPKsignalingpathway
,
PI3KAktsignalingpathway
,
TNFsignalingpathway
,
Wntsignalingpathway
,
FoxOsignalingpathway
,
dopaminergicsynapsesignalingpath
wayandHipposignalingpathway. Conclusion
:
Thesignificantdifferenceintheexpressionsofplasmaexoso
cellbodyglutamatergicsynapsepresynapsesynapticmembraneneurontoneuronsynapseandothercellular
malmicroRNAinschizophrenicpatientswithmedicationtreatmentsindicatedthatmiRNAssuchasmiRNA
206miR1425pmiR1395pandmiR133bmayplayanimportantroleintheoccurrenceanddevelopmentof
schizophreniathroughMAPKsignalingpathwayandPI3KAktsignalingpathway.
Keywords schizophrenia plasma exosomal miRNA bioinformatics
,
,
,
,,
:;;;;
基金项目:深圳市龙岗区
2019
年度医疗卫生科技计划项目
LGKCYLWS2019000334
)(
518172
深圳市龙岗中心医院检验科(作者单位:梁静文);北
京中医药大学深圳医院(龙岗)(余卓恒);深圳市康宁医院检验科
(刘宜欢,叶彩虹);香港中文大学(深圳)附属第二医院(许瑞环)
EMail
:
331272947@qq.com
通信作者:余卓恒,
DOI
:
10.3969/j.issn.10053220.2023.05.009
精神分裂症是高致残、高致死性的重性精神障
碍之一,其发生发展涉及遗传因素、环境因素、大脑
实质改变等多个因素。其发病机制仍不清楚,临床
上缺乏客观诊断和治疗监测的实验室指标。因此,
寻找精神分裂症客观的生物标志物,对获取临床诊
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临床精神医学杂志
2023
年第
33
卷第
5
期
断及治疗的客观标准有很大的帮助。
近年来,越来越多的证据表明微小
RNA
(
miR
在神经分化、突触可塑性和认知功能等神经发
NA
)
育方面发挥关键作用。与健康人群相比,阿尔茨海
默症
[]
、精神分裂症
[]
、抑郁症
[]
等患者的
miRNA
表达存在差异,这些研究结果提示
miRNA
可作为各
种神经精神疾病的潜在生物标志物。
外泌体是一种直径为
40~100nm
的脂质小囊
泡,可释放外泌体的细胞种类繁多
[]
。外泌体能够
传递多种信号分子,如蛋白质、信使
RNA
(
mRNA
)和
可通过
miRNA
。
miRNA
是外泌体的关键功能原件,
抑制或促进靶基因的表达来影响细胞生物学功
能
[]
,甚至可能参与调控这些靶基因涉及的所有细
胞通路。因此,外泌体
miRNA
也被认为是疾病进
展、药物治疗监测、疾病预后等潜在的生物学标志
物,但关于精神分裂症的外泌体
miRNA
的研究非常
有限。为此,本研究拟采用高通量测序技术筛选出
经药治疗精神分裂症发病期患者血浆外泌体差异表
达的
miRNA
,并采用软件、数据库对差异表达
miR
NA
进行靶基因预测、
GO
分析和
KEGG
通路预测,
初步了解差异表达
miRNA
的功能,为研究精神分裂
症的发病机制提供新的思路。
1
对象和方法
1.1
对象
精神分裂症组来自深圳市康宁医院在
2019
年
9
月至
2020
年
4
月收治住院的精神分裂症患者
48
例,主要经抗精神病药氯氮平系统治疗
≥
1
年,病
程
≥
6
年,其中男
27
例,女
21
例,年龄
23~56
岁,平
岁。纳入标准:符合美国《精神障均(
40.15±9.16
)
碍诊断和统计手册第
4
版》精神分裂症的诊断标准,
由
2
名精神科医生(至少
1
名医生为副主任医师以
上职称)诊断一致;排除脑器质性和躯体其他疾病所
致的精神障碍、其他精神疾病、有酗酒和药物滥用
史者。
健康对照组选择同期在深圳市龙岗中心医院的
其中男
27
名,女
21
名;年龄
23~48
名正常志愿者,
平均(岁。纳入标准:
43.52±14.27
)
68
岁,
①
由
1
名
精神科医师单独进行访谈并排除精神类疾病;
②
无
精神病家族史;
③
未服用与精神病相关的任何药物;
性别分别与患者匹配。本研究方案获得深
④
年龄、
圳市龙岗中心医院伦理委员会审批通过。
1.2
方法
1.2.1
血浆样本的收集
将采集的全血置于含
混匀,然后以
2000xg
,
EDTAK2
抗凝管,
4℃
离心
5min
,取上清即为血浆,再
10000xg
,
4℃
离心
123
4
5
·
373
·
最后将得到的血浆分装到
1.5ml
的
EP
管
10min
,
内,于
-80℃
低温冰箱冷冻储存。
1.2.2
血浆外泌体的提取
血浆外泌体的分离按
照
RiboTMExosomeIsolationReagent
(
forplasmaor
试剂盒的说明书进行。首先将血浆样本从低
serum
)
温环境中取出,以去除残
2000xg
室温离心
20min
,
留细胞及碎片,转移上清至新管,
10000xg
室温离
心
20min
,转移上清至新管,加入
1/3
体积的
Ri
forplasmaorserboTMexosomeIsolationreagent
(
,完全混匀样本,放入
4℃
冰箱静置
30min
,
um
)
用移液器小心吸去上清,
15000xg
,
4℃
离心
2min
,
离心获得的沉淀,即为外泌体样本。
1.2.3
外泌体
miRNA
高通量测序
外泌体
miRNA
抽提按照核酸提取试剂盒(
MagenHiPureLiquid
说明书的方案一进行。同时,采用
QubitmiRNAKit
)
2.0
检测
RNA
样品浓度,
Agilent2200Bioanalyzer
检
测
RNA
样品分布范围。质检结果合格后,将提取血
浆外泌体的总
RNA
按照
NEBNextMultiplexSmall
RNALibraryPrepSetforIllumina
试剂盒说明书构建
文库,主要步骤为:提取的
sRNA
片段纯化后,连接
3
’端和
5
’的接头,反转录呈
cDNA
,再进行
PCR
扩
增。随后切胶回收目的的片段文库,用
Agilent2200
TapeStation
进行文库质检,最后用
Illumina
HiseqTM2500
测序仪运行
SE50
模式进行测序。测
序所得的原始数据,首先进行过滤:取出
reads
两端
的接头,取出片段长队
<17nt
的
reads
和低质量的
完成数据的初步过滤并获得高质量数据。
reads
等,
我们将过滤得到的
reads
与权威
miRNA/rRNA/tR
NA/snRNA/snoRNA
数据库进行比对,进而注释出
包括
miRNA
、已知的
ncRNA
,
rRNA
、
tRNA
、
snRNA
、
snoRNA
。
1.2.4
外泌体
miRNA
的差异表达分析
本研究通
过
miRDeep2
与
miRBase.v22
数据库对
miRNA
成熟
体序列进行比对,并计算
miRNA
的表达量。
miRNA
差异分析采用
DESeq2
程序包对正常志愿者和精神
分裂症患者之间的差异表达水平进行统计学分析,
通过差异倍数(
|log
(和显著水平
FoldChange
)
|>1
)
(
两个水平筛选差异表达
miRNA
。
P<0.05
)
1.2.5 miRNA
靶基因的预测以及功能分析
本研
究采用
miRTarBase
、
miRDB
、
miRWalk
、
TargetScan
四
个软件对差异表达的
miRNA
进行靶基因预测,同时
对四个软件的预测结果进行进一步筛选整理,并以
miRTarBase
预测结果或者同时为
miRDB
、
miRWalk
、
TargetScan
三个软件的预测结果作为外泌体
miRNA
的候选靶基因。通过超几何分布方法等统计学分析
对靶基因进行
GO
分析,以
GO
注释富集程度的
P<
2
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·
374
·
分析结果显示基因主要涉及细胞
0.05
为显著阈值,
组成、分子功能以及生物过程三个方面。对
miRNA
的靶基因进行
KEGG
分析,通过
FisherExactTest
计
算
P
值以
KEGG
通路富集程度的
P<0.05
为显著
性阈值,得到分析结果。
2
结果
注释与分类
2.1
非编码
RNA
(
ncRNA
)
所有精神分裂症标本与正常志愿者标本测序得
到的
reads
与各类权威
RNA
数据库进行比对及注
释,具体使用的数据库如下:
miRNA
数据库来自
miRNAID
hasmiRNA365a3p
hasmiRNA365b3p
hasmiRNA6511b5p
hasmiRNA206
hasmiRNA1243p
hasmiRNA3753P
hasmiRNA12b5p
hasmiRNA92a3p
hasmiRNA107
hasmiRNA499a5p
hasmiRNA1395p
hasmiRNA1825P
SCZ
29.80
29.80
102.98
121.57
14.51
6939.85
10034.201
150348.74
4896.51
133.44
1767.08
852.59
n=48
)组(
n=48
)对照组(
0
0
1.56
6.10
0.78
558.40
969.86
21516
1486.40
41.07
580.80
182.27
JClinPsychiatry2023Vol33No.5
,,,
;、、、数
piRNA
数据库来自
pirnabank
,据库来自
Rfam12.1
;
并对结果进行统计及制图。数据显示,精神分裂症
组的
miRNA
比例比正常对照组的高。其平均占比
达
46.12%
。
2.2
外泌体
miRNA
差异表达的筛选
本实验筛选出样品间的差异表达
miRNA
(
dif
共
353
个,其中
ferentiallyexpressedmiRNA
,
DEM
)
157
个
DEM
上调,
196
个
DEM
下调。我们通过绘制
火山图,图中红色圆点表示有显著性上调
DEM
,绿
色圆点表示显著下调
DEM
。见表
1
,见表
2
,见图
1
。
miRBaseversion22tRNArRNAsnRNAsnoRNA
珋
x±s
)
表
1
两组部分上调表达的外泌体
miRNA
分子比较(
基因表达差异倍数
7.207381
7.207381
5.743968
4.232481
3.939931
3.634091
3.370559
2.80476
1.71912
1.675547
1.603399
2.19765
P
3.90×10
-7
3.90×10
-7
3.79×10
-11
9.36×10
-10
0.0033
1.08×10
-12
3.29×10
-11
2.83×10
-8
9.93×10
-5
0.00859
0.00095
9.71×10
-7
值
Up/Down
Up
Up
Up
Up
Up
Up
Up
Up
Up
Up
Up
Up
miRNAID
hasmiRNA181c3p
hasmiRNA1425P
hasmiRNA4433b3p
hasmiRNA3823p
hasmiRNA326
hasmiRNA133b
SCZ
12.87
7764.57
127.68
1.16
57.01
2.04
n=48
)组(
表
2
部分下调表达的外泌体
miRNA
分子
n=48
)对照组(基因表达差异倍数
200.90
23126.00
12844.28
71.85
1623.98
25.92
-3.99234
-1.57445
-6.65207
-6.00349
-4.82488
-3.62299
P
2.36×10
-11
0.00454
1.01×10
-26
1.34×10
-9
1.83×10
-25
0.000316
值
Up/Down
Down
Down
Down
Down
Down
Down
注:红色圆点为有显著上调
miRNA
,绿色圆点为显著下调
miRNA
图
1
外泌体
miRNA
基因表达差异倍数
log
Foldchange
)(火山图
2
差异表达外泌体
miRNA
的生物信息学分析
基因主要参与轴突生成、化学突触传递调节、跨
突出信号的调节等生物过程,涉及神经元细胞体、谷
氨酸能突触、神经元间突触、突触前和突触膜等细胞
主要参与多巴胺能突组成。
KEGG
通路分析显示,
触、
PI3KAkt
信号通路、
MAPK
信号通路、
Wnt
信号
通路等与精神分裂症相关的信号通路。见表
3
。
3
讨论
本研究对比经药治疗精神分裂症患者和健康人
群血浆外泌体中差异表达的
miRNA
,经
Illumina
HiseqTM2500
测序平台分析两组的血浆外泌体
miR
共筛选出
353
个显著差异表达
miRNA
,
NA
表达谱,
196
个表达下调。这一数据其中
157
个表达上调,
说明,经药治疗精神分裂症患者的血浆外泌体
miR
NA
表达谱较健康人群仍存在显著的变化。
2.3
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临床精神医学杂志
2023
年第
33
卷第
5
期
miRNAID
hasmiRNA365a3p
hasmiRNA365b3p
hasmiRNA6511b5p
hasmiRNA206
hasmiRNA1243p
hasmiRNA3753P
hasmiRNA12b5p
hasmiRNA92a3p
hasmiRNA107
hasmiRNA499a5p
hasmiRNA1395p
hasmiRNA181c3p
hasmiRNA1425P
hasmiRNA4433b3p
hasmiRNA4433a3p
hasmiRNA3823p
hasmiRNA326
hasmiRNA3825p
HasmiRNA133b
·
375
·
Wnt
信号通路
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
√
×
√
×
√
√
×
×
√
PI3KAkt
信号通路
×
×
×
√
×
×
×
√
×
×
√
×
×
×
√
×
×
√
√
TNF
信号通路
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
√
×
√
×
√
√
×
×
√
FOXO
信号通路
×
×
×
×
×
×
×
√
×
×
×
√
√
×
×
×
×
×
√
Hippo
信号通路
√
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
√
×
×
×
×
√
×
表
3
部分差异表达外泌体
miRNA
靶向相关的
KEGG
通路
MAPK
信号通路
√
√
×
√
×
×
×
√
×
√
√
×
√
√
×
√
√
×
×
多巴胺
信号通路
×
×
×
×
√
×
×
√
×
×
√
×
√
×
×
×
√
×
×
我们对差异表达的
miRNA
进行靶基因筛选,发
现部分差异表达的
miRNA
能靶向精神分裂症相关
基因,与精神分裂症病程发展有着紧密的联系。进
一步对靶基因进行
GO
分析,结果显示基因主要定
位神经元细胞体、谷氨酸能突触、神经元间突触、突
触前和突触膜,主要涉及轴突新生、化学突触传递调
节、跨突触信号调节等生物过程,这些证据提示,这
些差异表达的
miRNA
在突触功能及神经元活动的
调控中起重要作用。
Adams
等
[]
通过分析
107
例精
57
名亲属和
108
名健康对照的脑电神分裂症患者、
图数据,发现精神分裂症异常的脑电图是由突触形
成减少造成的,这意味着精神分裂症相关症状很有
可能是因为突触功能的中断,或神经元之间的交流
方式异常,进而使兴奋性和抑制性传递之间的不平
衡导致的。本研究中,经药治疗精神分裂症组
miR
这些差异表达的
NA
表达量明显高于健康人群组,
进而影
miRNA
很有可能导致基因转录水平的紊乱,
响突触功能甚至是导致神经元之间的信号传递异
常,从而参与精神分裂症的病程发展。
本研究
KEGG
分析结果显示,富集显著的通路
主要为
MAPK
、
PI3KAkt
、
TNF
、
Wnt
、
FoxO
、
Hippo
和
多巴胺能突触等在多种神经系统疾病的发病发展过
程中起关键作用的信号通路。其中,
MAPK
、
PI3K
Akt
、
TNF
、
Wnt
、
Hippo
等
5
条信号通路均被报道其通
过不同的生物过程激活
caspase
蛋白,参与介导神经
元的损伤、凋亡。
FoxO
家族还受
PI3KAkt
信号通
路的调控,参与调控细胞周期、分化、代谢和凋亡等
重要生命过程,还可以调节下游靶基因的表达
[]
。
这与精神分裂症存在凋亡通路的异常,导致神经元
和神经胶质细胞的凋亡活动发生改变的观点一致。
6
7
本研究对差异表达的外泌体
miRNA
靶基因进
行预测发现,共同调
miRNA206
作为关键
miRNA
,
控靶基因参与
MAPK
、并对脑
PI3KAkt
等信号通路,
源性神经营养因子(
brainderivedneurotrophicfactor
,
的表达存在靶向调控作用。
BDNF
是神经元
BDNF
)
生长必不可少的神经营养因子之一,与
TrkB
结合能
够促进神经元存活与发育,并能够抑制或缓解神经
元受损死亡
[]
。近年来国内外研究均发现
BDNF
与
精神分裂症的临床症状有一定的关联性,低于正常
人水平表达的
BDNF
可能会引起神经发育障碍进而
李志远教授团队证实了引发精神分裂症
[]
。近期,
miR206
靶向
BDNF
并负调控
BDNF
表达
[]
。
Du
等
[]
的研究发现首发精神分裂症患者全血外泌体
其对应的血浆
BDNF
表
miR206
表达上调最显著,
达亦显著下降。本研究发现经药治疗后的精神分裂
症发病期患者血浆外泌体
miR206
表达亦显著上
调,这一发现说明,外泌体
miR206
很有可能与精神
分裂症的发病相关。综合上述数据,我们推测上调
的
miR206
很有可能通过干扰
BDNF
基因表达,导
加速神经可塑性受损、神经元致
BDNF
的功能失调,
细胞丢失甚至死亡,从而导致患者出现认知障碍等
相关临床症状,这一推测与目前精神分裂症的神经
营养素假说一致,
miR206BDNF
很有可能成为精神
分裂症的发病机制中的一个新的信号通路。
在经药治疗精神分裂症组,
miR1425p
、
miR
1395p
等关键
miRNA
调控关键靶基因参与
MAPK
、
多巴胺能突触等与神经系统疾病相关的
Wnt
、
TNF
、
NRG1
)通路,并对神经调节素
1
(的表达存在靶向调
控作用。
miR1425p
是多种细胞损伤的保护因子,
有研究
[]
发现癫痫大鼠神经细胞中的
miR1425p
8
9
10
11
12
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·
376
·
表达水平显著升高,干扰
miR1425p
的表达后癫痫
大鼠神经细胞抗氧化系统酶类升高,氧化系统酶类
含量降低,这一数据提示高表达
miRNA1425p
很
有可能通过促进神经细胞氧化应激反应而使神经元
损伤。
miR1395p
是神经干细胞增殖和神经分化
的负调控因子。有研究团队
[]
将重度抑郁症患者
的血液外泌体注射到小鼠的尾静脉,发现小鼠产生
了明显的抑郁样行为,相反,将健康人群的血液外泌
体注射到有抑郁样行为的小鼠体内,发现小鼠的抑
郁样症状有所减轻,这一研究结果提示
miR1395p
水平的上调可能介导应急诱导抑郁样行为的产生。
本研究发现精神分裂症患者血浆外泌体
miR1425p
和
miR1395p
表达显著上调,它们很可能同时对精
神分裂症相关基因
NRG1
存在靶向调控作用。
丛启杰等
[]
通
NRG1
是精神分裂症的易感基因
[]
,
过脑立体定位注射技术对小鼠大脑前额皮质进行
发现小鼠出现自发活动量增加、焦
NRG1
基因敲除,
虑为特征的精神分裂症样行为。我们猜测
miR142
很有可能抑制患者
5p
和
miR1395p
水平上调,
从而导致抑制性和兴奋性神经
NRG1
的表达水平,
递质转运蛋白平衡失调,结果尚需进一步验证。
本研究结果还显示,
miR133b
在精神分裂症样
本中表达下调,根据靶基因预测,发现其可能对结蹄
组织生长因子(
CTGF
)的表达存在靶向作用。研究
发现,中脑多巴胺能神经元可特异性表达
miR
133b
,反映其在中脑多巴胺能神经元的成熟、功能和
存活起着重要作用
[]
。研究人员
Pei
等
[]
利用大
miR133b
的上调可负反馈鼠的动物实验结果发现,
CTGF
的表达水平,从而抑制抑郁大鼠海马神经元
凋亡,抑制炎症反应,保护抑郁大鼠海马神经元免于
凋亡和炎症的损伤。本研究发现经药治疗精神分裂
症发病期患者
miR133b
水平下调,与
CTGF
之间很
有可能存在一个负反馈调控网络,导致神经元在细
胞凋亡机制和炎症机制的作用下受损甚至凋亡。
综上,本研究发现经药治疗精神分裂症患者和
正常人群血浆外泌体
miRNA
表达仍存在显著差异。
精神分裂症患者血浆外泌体表达的
miRNA206
、
miR1425p
、
miR1395p
、
miR133b
等
miRNA
可能
是精神分裂症发生发展潜在的诊断生物标记物,这
对进一步认识
miRNA
在精神分裂症发病机制的作
用具有一定的参考意义。
13
1415
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JClinPsychiatry2023Vol33No.5
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Copyright©博看网. All Rights Reserved.
2024年3月25日发(作者:仪夏烟)
·
372
·
JClinPsychiatry2023Vol33No.5
,,,
梁静文,余卓恒,刘宜欢,叶彩虹,许瑞环
精神分裂症患者血浆外泌体微小
RNA
差异
表达谱及其生物信息学分析
·论著·
目的
:探讨精神分裂症患者及正常人群血浆外泌体微小
RNA
(
miRNA
)的差异表达,初步了
摘要:
采用高通量测序技术检测
48
例精神分解差异表达
miRNA
在精神分裂症病程发展中的作用。
方法
:
构建
miRNA
差异表达谱。预测表达差裂症患者和
48
名健康对照者的血浆外泌体
miRNA
的表达水平,
异显著的
miRNA
的靶基因,再对靶基因进行
GO
功能注释和
KEGG
通路分析,确定差异表达
miRNA
的
主要生物学功能及其可能参与的信号通路。
结果
:与对照组相比,精神分裂症患者血浆外泌体共筛选
196
个表达下调。通过
GO
富集和
KEGG
分析,其中
157
个表达上调,上出
353
个
miRNA
显著异常表达,
述差异表达的
miRNAs
主要涉及神经元细胞体、谷氨酸能突触、神经元间突触、突触前和突触膜等细胞
组成,并主要参与轴突新生、化学突触传递调节、跨突触信号调节等生物过程,可能通过
MAPK
信号通
PI3KAkt
信号通路、
TNF
信号通路、
Wnt
信号通路、
FoxO
信号通路、路、多巴胺能突触及
Hippo
等信号通
经药治疗精神分裂症患者血浆外泌体中
miRNAs
存在显路参与精神分裂症的发生和发展过程。
结论
:
著的差异性表达,
miRNA206
、
miR1425p
、
miR1395p
、
miR133b
等
miRNA
可能通过
MAPK
信号通路、
PI3KAkt
信号通路等在精神分裂症的发生发展过程中发挥重要作用。
关键词:
精神分裂症;
血浆;
外泌体;
微小
RNA
;
生物信息学分析
R749.4
文献标识码:
A
文章编号:
10053220
(
2023
)
05037205
中图分类号:
DifferentialexpressionprofileandbioinfomaticanalysisofplasmaexosomalmiRNAinschizophrenia
LIANGJingwenYUZhuohengLIUYihuanYECaihongXuRuihuan.ClinicalLaboratoryLonggangDis
tricCentralHospitalShenzhen518172China
Abstract ObjectiveToexplorethedifferentialexpressionofplasmaexosomalmicroRNAintheschizo
phrenicpatientsandnormalpopulationindividualsandtounderstandtheroleofdifferentiallyexpressedmiRNA
intheprogressionofschizophrenia. MethodHighthroughputsequencingtechnologywasusedtodetectthe
expressionlevelsofexosomalmiRNAinplasmasamplesfrom48schizophrenicpatientsbymedicationand48
healthycontrolsandtoconstructmiRNAdifferentialexpressionlevel.Predicttargetgenesofdifferentiallyex
pressedmiRNAsandthenGeneOntologyGOandKyotoEncyclopediaofGenesandGenomesKEGGpath
wayanalysiswereperformedonthetargetgenesdeterminethemajorbiologicalfunctionsofdifferentiallyex
pressedmiRNAandtheirpossiblesignalingpathways. ResultsComparedwithnormalindividualstherewere
353significantlydifferentiallyexpressedmiRNAsinplasmaofschizophrenicpatientsofwhich157wereupreg
ulatedand196downregulated.ThroughGOenrichmentandKEGGanalysisthemiRNAsinvolvedinneuronal
,
:
,
,
:
,
,,,
:
,
,
()
,
()
:
,,,,
components
,
andparticipatedinmultiplebiologicalprocessessuchasaxonogenesis
,
modulationofchemicalsyn
aptictransmissionandregulationoftranssynapticsignaling.Moreover
,
themiRNAsmayparticipatedintheoc
currenceanddevelopmentofschizophreniathroughMAPKsignalingpathway
,
PI3KAktsignalingpathway
,
TNFsignalingpathway
,
Wntsignalingpathway
,
FoxOsignalingpathway
,
dopaminergicsynapsesignalingpath
wayandHipposignalingpathway. Conclusion
:
Thesignificantdifferenceintheexpressionsofplasmaexoso
cellbodyglutamatergicsynapsepresynapsesynapticmembraneneurontoneuronsynapseandothercellular
malmicroRNAinschizophrenicpatientswithmedicationtreatmentsindicatedthatmiRNAssuchasmiRNA
206miR1425pmiR1395pandmiR133bmayplayanimportantroleintheoccurrenceanddevelopmentof
schizophreniathroughMAPKsignalingpathwayandPI3KAktsignalingpathway.
Keywords schizophrenia plasma exosomal miRNA bioinformatics
,
,
,
,,
:;;;;
基金项目:深圳市龙岗区
2019
年度医疗卫生科技计划项目
LGKCYLWS2019000334
)(
518172
深圳市龙岗中心医院检验科(作者单位:梁静文);北
京中医药大学深圳医院(龙岗)(余卓恒);深圳市康宁医院检验科
(刘宜欢,叶彩虹);香港中文大学(深圳)附属第二医院(许瑞环)
EMail
:
331272947@qq.com
通信作者:余卓恒,
DOI
:
10.3969/j.issn.10053220.2023.05.009
精神分裂症是高致残、高致死性的重性精神障
碍之一,其发生发展涉及遗传因素、环境因素、大脑
实质改变等多个因素。其发病机制仍不清楚,临床
上缺乏客观诊断和治疗监测的实验室指标。因此,
寻找精神分裂症客观的生物标志物,对获取临床诊
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
临床精神医学杂志
2023
年第
33
卷第
5
期
断及治疗的客观标准有很大的帮助。
近年来,越来越多的证据表明微小
RNA
(
miR
在神经分化、突触可塑性和认知功能等神经发
NA
)
育方面发挥关键作用。与健康人群相比,阿尔茨海
默症
[]
、精神分裂症
[]
、抑郁症
[]
等患者的
miRNA
表达存在差异,这些研究结果提示
miRNA
可作为各
种神经精神疾病的潜在生物标志物。
外泌体是一种直径为
40~100nm
的脂质小囊
泡,可释放外泌体的细胞种类繁多
[]
。外泌体能够
传递多种信号分子,如蛋白质、信使
RNA
(
mRNA
)和
可通过
miRNA
。
miRNA
是外泌体的关键功能原件,
抑制或促进靶基因的表达来影响细胞生物学功
能
[]
,甚至可能参与调控这些靶基因涉及的所有细
胞通路。因此,外泌体
miRNA
也被认为是疾病进
展、药物治疗监测、疾病预后等潜在的生物学标志
物,但关于精神分裂症的外泌体
miRNA
的研究非常
有限。为此,本研究拟采用高通量测序技术筛选出
经药治疗精神分裂症发病期患者血浆外泌体差异表
达的
miRNA
,并采用软件、数据库对差异表达
miR
NA
进行靶基因预测、
GO
分析和
KEGG
通路预测,
初步了解差异表达
miRNA
的功能,为研究精神分裂
症的发病机制提供新的思路。
1
对象和方法
1.1
对象
精神分裂症组来自深圳市康宁医院在
2019
年
9
月至
2020
年
4
月收治住院的精神分裂症患者
48
例,主要经抗精神病药氯氮平系统治疗
≥
1
年,病
程
≥
6
年,其中男
27
例,女
21
例,年龄
23~56
岁,平
岁。纳入标准:符合美国《精神障均(
40.15±9.16
)
碍诊断和统计手册第
4
版》精神分裂症的诊断标准,
由
2
名精神科医生(至少
1
名医生为副主任医师以
上职称)诊断一致;排除脑器质性和躯体其他疾病所
致的精神障碍、其他精神疾病、有酗酒和药物滥用
史者。
健康对照组选择同期在深圳市龙岗中心医院的
其中男
27
名,女
21
名;年龄
23~48
名正常志愿者,
平均(岁。纳入标准:
43.52±14.27
)
68
岁,
①
由
1
名
精神科医师单独进行访谈并排除精神类疾病;
②
无
精神病家族史;
③
未服用与精神病相关的任何药物;
性别分别与患者匹配。本研究方案获得深
④
年龄、
圳市龙岗中心医院伦理委员会审批通过。
1.2
方法
1.2.1
血浆样本的收集
将采集的全血置于含
混匀,然后以
2000xg
,
EDTAK2
抗凝管,
4℃
离心
5min
,取上清即为血浆,再
10000xg
,
4℃
离心
123
4
5
·
373
·
最后将得到的血浆分装到
1.5ml
的
EP
管
10min
,
内,于
-80℃
低温冰箱冷冻储存。
1.2.2
血浆外泌体的提取
血浆外泌体的分离按
照
RiboTMExosomeIsolationReagent
(
forplasmaor
试剂盒的说明书进行。首先将血浆样本从低
serum
)
温环境中取出,以去除残
2000xg
室温离心
20min
,
留细胞及碎片,转移上清至新管,
10000xg
室温离
心
20min
,转移上清至新管,加入
1/3
体积的
Ri
forplasmaorserboTMexosomeIsolationreagent
(
,完全混匀样本,放入
4℃
冰箱静置
30min
,
um
)
用移液器小心吸去上清,
15000xg
,
4℃
离心
2min
,
离心获得的沉淀,即为外泌体样本。
1.2.3
外泌体
miRNA
高通量测序
外泌体
miRNA
抽提按照核酸提取试剂盒(
MagenHiPureLiquid
说明书的方案一进行。同时,采用
QubitmiRNAKit
)
2.0
检测
RNA
样品浓度,
Agilent2200Bioanalyzer
检
测
RNA
样品分布范围。质检结果合格后,将提取血
浆外泌体的总
RNA
按照
NEBNextMultiplexSmall
RNALibraryPrepSetforIllumina
试剂盒说明书构建
文库,主要步骤为:提取的
sRNA
片段纯化后,连接
3
’端和
5
’的接头,反转录呈
cDNA
,再进行
PCR
扩
增。随后切胶回收目的的片段文库,用
Agilent2200
TapeStation
进行文库质检,最后用
Illumina
HiseqTM2500
测序仪运行
SE50
模式进行测序。测
序所得的原始数据,首先进行过滤:取出
reads
两端
的接头,取出片段长队
<17nt
的
reads
和低质量的
完成数据的初步过滤并获得高质量数据。
reads
等,
我们将过滤得到的
reads
与权威
miRNA/rRNA/tR
NA/snRNA/snoRNA
数据库进行比对,进而注释出
包括
miRNA
、已知的
ncRNA
,
rRNA
、
tRNA
、
snRNA
、
snoRNA
。
1.2.4
外泌体
miRNA
的差异表达分析
本研究通
过
miRDeep2
与
miRBase.v22
数据库对
miRNA
成熟
体序列进行比对,并计算
miRNA
的表达量。
miRNA
差异分析采用
DESeq2
程序包对正常志愿者和精神
分裂症患者之间的差异表达水平进行统计学分析,
通过差异倍数(
|log
(和显著水平
FoldChange
)
|>1
)
(
两个水平筛选差异表达
miRNA
。
P<0.05
)
1.2.5 miRNA
靶基因的预测以及功能分析
本研
究采用
miRTarBase
、
miRDB
、
miRWalk
、
TargetScan
四
个软件对差异表达的
miRNA
进行靶基因预测,同时
对四个软件的预测结果进行进一步筛选整理,并以
miRTarBase
预测结果或者同时为
miRDB
、
miRWalk
、
TargetScan
三个软件的预测结果作为外泌体
miRNA
的候选靶基因。通过超几何分布方法等统计学分析
对靶基因进行
GO
分析,以
GO
注释富集程度的
P<
2
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
·
374
·
分析结果显示基因主要涉及细胞
0.05
为显著阈值,
组成、分子功能以及生物过程三个方面。对
miRNA
的靶基因进行
KEGG
分析,通过
FisherExactTest
计
算
P
值以
KEGG
通路富集程度的
P<0.05
为显著
性阈值,得到分析结果。
2
结果
注释与分类
2.1
非编码
RNA
(
ncRNA
)
所有精神分裂症标本与正常志愿者标本测序得
到的
reads
与各类权威
RNA
数据库进行比对及注
释,具体使用的数据库如下:
miRNA
数据库来自
miRNAID
hasmiRNA365a3p
hasmiRNA365b3p
hasmiRNA6511b5p
hasmiRNA206
hasmiRNA1243p
hasmiRNA3753P
hasmiRNA12b5p
hasmiRNA92a3p
hasmiRNA107
hasmiRNA499a5p
hasmiRNA1395p
hasmiRNA1825P
SCZ
29.80
29.80
102.98
121.57
14.51
6939.85
10034.201
150348.74
4896.51
133.44
1767.08
852.59
n=48
)组(
n=48
)对照组(
0
0
1.56
6.10
0.78
558.40
969.86
21516
1486.40
41.07
580.80
182.27
JClinPsychiatry2023Vol33No.5
,,,
;、、、数
piRNA
数据库来自
pirnabank
,据库来自
Rfam12.1
;
并对结果进行统计及制图。数据显示,精神分裂症
组的
miRNA
比例比正常对照组的高。其平均占比
达
46.12%
。
2.2
外泌体
miRNA
差异表达的筛选
本实验筛选出样品间的差异表达
miRNA
(
dif
共
353
个,其中
ferentiallyexpressedmiRNA
,
DEM
)
157
个
DEM
上调,
196
个
DEM
下调。我们通过绘制
火山图,图中红色圆点表示有显著性上调
DEM
,绿
色圆点表示显著下调
DEM
。见表
1
,见表
2
,见图
1
。
miRBaseversion22tRNArRNAsnRNAsnoRNA
珋
x±s
)
表
1
两组部分上调表达的外泌体
miRNA
分子比较(
基因表达差异倍数
7.207381
7.207381
5.743968
4.232481
3.939931
3.634091
3.370559
2.80476
1.71912
1.675547
1.603399
2.19765
P
3.90×10
-7
3.90×10
-7
3.79×10
-11
9.36×10
-10
0.0033
1.08×10
-12
3.29×10
-11
2.83×10
-8
9.93×10
-5
0.00859
0.00095
9.71×10
-7
值
Up/Down
Up
Up
Up
Up
Up
Up
Up
Up
Up
Up
Up
Up
miRNAID
hasmiRNA181c3p
hasmiRNA1425P
hasmiRNA4433b3p
hasmiRNA3823p
hasmiRNA326
hasmiRNA133b
SCZ
12.87
7764.57
127.68
1.16
57.01
2.04
n=48
)组(
表
2
部分下调表达的外泌体
miRNA
分子
n=48
)对照组(基因表达差异倍数
200.90
23126.00
12844.28
71.85
1623.98
25.92
-3.99234
-1.57445
-6.65207
-6.00349
-4.82488
-3.62299
P
2.36×10
-11
0.00454
1.01×10
-26
1.34×10
-9
1.83×10
-25
0.000316
值
Up/Down
Down
Down
Down
Down
Down
Down
注:红色圆点为有显著上调
miRNA
,绿色圆点为显著下调
miRNA
图
1
外泌体
miRNA
基因表达差异倍数
log
Foldchange
)(火山图
2
差异表达外泌体
miRNA
的生物信息学分析
基因主要参与轴突生成、化学突触传递调节、跨
突出信号的调节等生物过程,涉及神经元细胞体、谷
氨酸能突触、神经元间突触、突触前和突触膜等细胞
主要参与多巴胺能突组成。
KEGG
通路分析显示,
触、
PI3KAkt
信号通路、
MAPK
信号通路、
Wnt
信号
通路等与精神分裂症相关的信号通路。见表
3
。
3
讨论
本研究对比经药治疗精神分裂症患者和健康人
群血浆外泌体中差异表达的
miRNA
,经
Illumina
HiseqTM2500
测序平台分析两组的血浆外泌体
miR
共筛选出
353
个显著差异表达
miRNA
,
NA
表达谱,
196
个表达下调。这一数据其中
157
个表达上调,
说明,经药治疗精神分裂症患者的血浆外泌体
miR
NA
表达谱较健康人群仍存在显著的变化。
2.3
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临床精神医学杂志
2023
年第
33
卷第
5
期
miRNAID
hasmiRNA365a3p
hasmiRNA365b3p
hasmiRNA6511b5p
hasmiRNA206
hasmiRNA1243p
hasmiRNA3753P
hasmiRNA12b5p
hasmiRNA92a3p
hasmiRNA107
hasmiRNA499a5p
hasmiRNA1395p
hasmiRNA181c3p
hasmiRNA1425P
hasmiRNA4433b3p
hasmiRNA4433a3p
hasmiRNA3823p
hasmiRNA326
hasmiRNA3825p
HasmiRNA133b
·
375
·
Wnt
信号通路
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
√
×
√
×
√
√
×
×
√
PI3KAkt
信号通路
×
×
×
√
×
×
×
√
×
×
√
×
×
×
√
×
×
√
√
TNF
信号通路
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
√
×
√
×
√
√
×
×
√
FOXO
信号通路
×
×
×
×
×
×
×
√
×
×
×
√
√
×
×
×
×
×
√
Hippo
信号通路
√
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
√
×
×
×
×
√
×
表
3
部分差异表达外泌体
miRNA
靶向相关的
KEGG
通路
MAPK
信号通路
√
√
×
√
×
×
×
√
×
√
√
×
√
√
×
√
√
×
×
多巴胺
信号通路
×
×
×
×
√
×
×
√
×
×
√
×
√
×
×
×
√
×
×
我们对差异表达的
miRNA
进行靶基因筛选,发
现部分差异表达的
miRNA
能靶向精神分裂症相关
基因,与精神分裂症病程发展有着紧密的联系。进
一步对靶基因进行
GO
分析,结果显示基因主要定
位神经元细胞体、谷氨酸能突触、神经元间突触、突
触前和突触膜,主要涉及轴突新生、化学突触传递调
节、跨突触信号调节等生物过程,这些证据提示,这
些差异表达的
miRNA
在突触功能及神经元活动的
调控中起重要作用。
Adams
等
[]
通过分析
107
例精
57
名亲属和
108
名健康对照的脑电神分裂症患者、
图数据,发现精神分裂症异常的脑电图是由突触形
成减少造成的,这意味着精神分裂症相关症状很有
可能是因为突触功能的中断,或神经元之间的交流
方式异常,进而使兴奋性和抑制性传递之间的不平
衡导致的。本研究中,经药治疗精神分裂症组
miR
这些差异表达的
NA
表达量明显高于健康人群组,
进而影
miRNA
很有可能导致基因转录水平的紊乱,
响突触功能甚至是导致神经元之间的信号传递异
常,从而参与精神分裂症的病程发展。
本研究
KEGG
分析结果显示,富集显著的通路
主要为
MAPK
、
PI3KAkt
、
TNF
、
Wnt
、
FoxO
、
Hippo
和
多巴胺能突触等在多种神经系统疾病的发病发展过
程中起关键作用的信号通路。其中,
MAPK
、
PI3K
Akt
、
TNF
、
Wnt
、
Hippo
等
5
条信号通路均被报道其通
过不同的生物过程激活
caspase
蛋白,参与介导神经
元的损伤、凋亡。
FoxO
家族还受
PI3KAkt
信号通
路的调控,参与调控细胞周期、分化、代谢和凋亡等
重要生命过程,还可以调节下游靶基因的表达
[]
。
这与精神分裂症存在凋亡通路的异常,导致神经元
和神经胶质细胞的凋亡活动发生改变的观点一致。
6
7
本研究对差异表达的外泌体
miRNA
靶基因进
行预测发现,共同调
miRNA206
作为关键
miRNA
,
控靶基因参与
MAPK
、并对脑
PI3KAkt
等信号通路,
源性神经营养因子(
brainderivedneurotrophicfactor
,
的表达存在靶向调控作用。
BDNF
是神经元
BDNF
)
生长必不可少的神经营养因子之一,与
TrkB
结合能
够促进神经元存活与发育,并能够抑制或缓解神经
元受损死亡
[]
。近年来国内外研究均发现
BDNF
与
精神分裂症的临床症状有一定的关联性,低于正常
人水平表达的
BDNF
可能会引起神经发育障碍进而
李志远教授团队证实了引发精神分裂症
[]
。近期,
miR206
靶向
BDNF
并负调控
BDNF
表达
[]
。
Du
等
[]
的研究发现首发精神分裂症患者全血外泌体
其对应的血浆
BDNF
表
miR206
表达上调最显著,
达亦显著下降。本研究发现经药治疗后的精神分裂
症发病期患者血浆外泌体
miR206
表达亦显著上
调,这一发现说明,外泌体
miR206
很有可能与精神
分裂症的发病相关。综合上述数据,我们推测上调
的
miR206
很有可能通过干扰
BDNF
基因表达,导
加速神经可塑性受损、神经元致
BDNF
的功能失调,
细胞丢失甚至死亡,从而导致患者出现认知障碍等
相关临床症状,这一推测与目前精神分裂症的神经
营养素假说一致,
miR206BDNF
很有可能成为精神
分裂症的发病机制中的一个新的信号通路。
在经药治疗精神分裂症组,
miR1425p
、
miR
1395p
等关键
miRNA
调控关键靶基因参与
MAPK
、
多巴胺能突触等与神经系统疾病相关的
Wnt
、
TNF
、
NRG1
)通路,并对神经调节素
1
(的表达存在靶向调
控作用。
miR1425p
是多种细胞损伤的保护因子,
有研究
[]
发现癫痫大鼠神经细胞中的
miR1425p
8
9
10
11
12
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·
376
·
表达水平显著升高,干扰
miR1425p
的表达后癫痫
大鼠神经细胞抗氧化系统酶类升高,氧化系统酶类
含量降低,这一数据提示高表达
miRNA1425p
很
有可能通过促进神经细胞氧化应激反应而使神经元
损伤。
miR1395p
是神经干细胞增殖和神经分化
的负调控因子。有研究团队
[]
将重度抑郁症患者
的血液外泌体注射到小鼠的尾静脉,发现小鼠产生
了明显的抑郁样行为,相反,将健康人群的血液外泌
体注射到有抑郁样行为的小鼠体内,发现小鼠的抑
郁样症状有所减轻,这一研究结果提示
miR1395p
水平的上调可能介导应急诱导抑郁样行为的产生。
本研究发现精神分裂症患者血浆外泌体
miR1425p
和
miR1395p
表达显著上调,它们很可能同时对精
神分裂症相关基因
NRG1
存在靶向调控作用。
丛启杰等
[]
通
NRG1
是精神分裂症的易感基因
[]
,
过脑立体定位注射技术对小鼠大脑前额皮质进行
发现小鼠出现自发活动量增加、焦
NRG1
基因敲除,
虑为特征的精神分裂症样行为。我们猜测
miR142
很有可能抑制患者
5p
和
miR1395p
水平上调,
从而导致抑制性和兴奋性神经
NRG1
的表达水平,
递质转运蛋白平衡失调,结果尚需进一步验证。
本研究结果还显示,
miR133b
在精神分裂症样
本中表达下调,根据靶基因预测,发现其可能对结蹄
组织生长因子(
CTGF
)的表达存在靶向作用。研究
发现,中脑多巴胺能神经元可特异性表达
miR
133b
,反映其在中脑多巴胺能神经元的成熟、功能和
存活起着重要作用
[]
。研究人员
Pei
等
[]
利用大
miR133b
的上调可负反馈鼠的动物实验结果发现,
CTGF
的表达水平,从而抑制抑郁大鼠海马神经元
凋亡,抑制炎症反应,保护抑郁大鼠海马神经元免于
凋亡和炎症的损伤。本研究发现经药治疗精神分裂
症发病期患者
miR133b
水平下调,与
CTGF
之间很
有可能存在一个负反馈调控网络,导致神经元在细
胞凋亡机制和炎症机制的作用下受损甚至凋亡。
综上,本研究发现经药治疗精神分裂症患者和
正常人群血浆外泌体
miRNA
表达仍存在显著差异。
精神分裂症患者血浆外泌体表达的
miRNA206
、
miR1425p
、
miR1395p
、
miR133b
等
miRNA
可能
是精神分裂症发生发展潜在的诊断生物标记物,这
对进一步认识
miRNA
在精神分裂症发病机制的作
用具有一定的参考意义。
13
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