近日，北京大學心理與認知科學學院、IDG麥戈文腦科學研究所、北大-清華生命科學聯合中心、海南大學生物醫學工程學院王征實驗室與中國科學院王光中研究員合作，在Cell Reports在線發表題為“Noncoding transcripts are linked to brain resting-state activity in non-human primates”的研究論文，報道了利用實驗室前期收集的獼猴全腦分區、單細胞轉錄組圖譜和靜息態腦影像數據，整合分析發現150個非編碼基因與蛋白編碼基因一起共同調控大腦網絡在靜息狀態下的同步自發振蕩活動。此外，這些非編碼基因不僅與非神經元細胞（如少突膠質細胞）的功能有關，且與人類精神疾病如自閉癥、精神分裂癥的風險基因緊密關聯。
王征實驗室歷時多年繪制了一套基于162只食蟹猴高分辨磁共振影像數據的全腦分區解剖圖譜——Cyno162(Lv et al., 2021)，和與之相匹配的全腦分區轉錄組圖譜（Bo et al., 2023），奏響了靈長類影像轉錄組學及跨物種研究的序曲。本項工作是在前期研究大腦解剖結構特征的遺傳進化基礎上的延伸：非編碼基因是否參與調控大腦靜息功能網絡？已有的研究發現大腦靜息功能網絡模式（如默認網絡，default mode network）在嚙齒類、靈長類物種間進化保守，但因受早期測序技術的限制，前期研究僅僅關注蛋白編碼基因對功能網絡的貢獻（Richiardi et al., 2015; Wang et al, 2015）。近年來，非編碼RNA所扮演的角色逐漸成為焦點，因其具有非常重要的調控功能，參與了多種生物學過程和通路活動，與重大疾病的發生發展緊密關聯，但對功能磁共振影像信號的調控貢獻知之甚少。
基于王征實驗室前期收集的獼猴靜息態功能磁共振影像數據（Lv et al., 2016; Cai et al., 2020; Zhan et al., 2021）和全腦分區轉錄組圖譜數據（Bo et al., 2023），研究團隊提取了獼猴腦影像數據中的低頻振幅指標來表征大腦不同區域的自發振蕩活動，和來自100個皮層區域的757個樣本的深度測序數據（平均每個樣本5270萬個讀序），運用稀疏偏最小二乘分析（sparse partial least squared analyses，sPLS）來檢測腦區基因表達與自發振蕩功能活動之間的關聯。結果發現150個非編碼基因（rsf-noncoding）幾乎能夠與蛋白編碼基因（rsf-coding）同等解釋全腦自發功能活動的變化，且具有顯著的腦區表達特異性，多數在皮層的表達顯著高于皮層下腦區，如ENSMFAG00000053082、ENSMFAG00000047780等。此外，150個非編碼基因中80%為長非編碼基因（120個），其次是旁雜的小RNA（miscRNA）和各類的非編碼RNA。
研究團隊以這些基因作為種子，計算與之關聯（biweight midcorrelations）的蛋白編碼基因來展開功能富集分析，發現非編碼基因同編碼基因類似，除了富集到已經被報道的離子跨膜轉運蛋白活性、自主神經系統發育和細胞外基質等功能，也顯著富集于軸突髓鞘化和膠質細胞分化的生物學過程。在此基礎上，團隊對非編碼和編碼基因分別構建共表達網絡，在基因模塊層面檢測編碼基因和非編碼之間及與腦區低頻振幅影像信號之間的關聯。結果發現兩個蛋白編碼基因的模塊分別與非編碼和編碼PLS1成分權重顯著相關，且與非編碼PLS1成分權重相關的模塊6的基因顯著富集于膠質細胞和少突膠質細胞相關的通路。
圖1 非編碼基因參與調控獼猴大腦靜息網絡
研究團隊還利用實驗室前期采集的獼猴大腦單細胞數據（Bo et al., 2023），分類得到了22種細胞類型包括14種興奮性細胞亞型、3種抑制性細胞亞型和5種非神經元亞型，進而確定這些非編碼基因是否富集于某些特定細胞類型。結果發現非編碼基因與多種細胞亞型標志基因顯著相關，如少突膠質細胞及興奮性和抑制性神經元亞型，并驗證了模塊分析中的模塊6基因確實富集到少突膠質細胞的兩種亞型。此外，非編碼相關的特異基因顯著富集于多種興奮性與抑制性神經元亞型，而編碼相關的基因只少量富集到某一類興奮性神經元亞型。進一步對全腦靜息態腦區活動相關基因的細胞亞型富集分析表明，少突膠質細胞亞型2與全腦靜息態腦區活動正相關，而星形膠質細胞和興奮性神經元亞型6與腦區活動負相關。這些結果提示非編碼RNA通過特定細胞調控并影響著大腦結構和功能。
長非編碼RNA和小RNAs等非編碼基因在人類神經和精神疾病中的重要影響已不容忽視。研究團隊進而對非編碼基因及相關的模塊、基因與多個疾病基因集進行關聯分析，結果發現非編碼基因的模塊與自閉癥和精神分裂癥風險基因高度相關。另外，與非編碼相關的基因在之前發現的人類靜息態功能基因和記憶效應基因中高度富集，而這種關聯在自閉癥患者的大腦中發生了改變，再次強調了非編碼RNA與大腦靜息網絡的活動及精神疾病風險的關系緊密。
中國科學院上海營養與健康研究所博士后王維，上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院腦病中心薄婷婷博士（從王征實驗室畢業）和河南省人民醫院放射科張戈博士為該文共同第一作者，王征與中國科學院王光中研究員共同為本文的通訊作者。項目開展期間得到了河南省人民醫院放射科主任王梅云、海南大學生物醫學工程學院合作者的大力支持和幫助，同時受到了科技部“腦科學與類腦研究”重大專項，國家自然科學基金委，中國科學院，上海市，廣東省及北大-清華生命科學聯合中心等基金資助。
參考文獻：
Bo et al., Brain-wide and cell-specific transcriptomic insights into MRI-derived cortical morphology in macaque monkeys, Nature Communications,2023,14: 1499—1514.
Cai et al., MECP2 duplication causes aberrant GABA pathways, circuits and behaviors in transgenic monkeys: neural mappings to patients with autism,Journal of Neuroscience,2020,40(19):3799—3814.
Lv et al., Normative analysis of individual brain differences based on a population MRI-based atlas of cynomolgus macaques,Cerebral Cortex,2021,31(1):341—355.
Lvet al., Large-scale persistent network reconfiguration induced by ketamine in anesthetized macaques: relevance to mood disorders,Biological Psychiatry,2016,79:765—775.
Richiardi et al., Correlated gene expression supports synchronous activity in brain networks,Science,2015,348(6240):1241—1244.
Wang et al., Correspondence between Resting-State Activity and Brain Gene Expression,Neuron,2015,88(4): 659—666
Zhan et al., Diagnostic classification for human autism and obsessive-compulsive disorder based on machine learning from a primate genetic model,American Journal of Psychiatry, 2021,178(1):65—76.