利用小鼠疾病模型研究DNA甲基化及非编码RNA在情感与记忆分子机制中的作用

Fragile X syndrome and Rett syndrome are the most common inheritable diseases of mental retardation in male and female respectively. The disease gene of Fragile X syndrome is Fmr1, and for Rett syndrome, it is Mecp2. Fmr1 encodes a protein called FMRP, which inhibits mRNA translation. Mecp2 encodes MeCP2, which harbors a methyl CpG binding motif. FMRP could suppress mRNA translation and thus the proliferation and differentiation of adult neural stem cells (ANSCs) via microRNAs. MeCP2, DNA methylation, and noncoding RNAs could form regulatory networks in ANSCs. Considering the crucial roles of ANSCs in the formation and expression of emotion and in learning & memory, we are going to investigate the regulation among FMRP, MeCP2, and epigenetic regulators such as DNA methylation and noncoding RNAs for their roles in molecular evens underlaying emotion, learning, and memory in ANSCs using genetically manipulated mice. We hope that our research would aid efforts in further characterizing of molecular mechanisms of emotion and memory, and in understanding the molecular etiology of Fragile X syndrome and Rett syndrome.

脆性X综合症（Fragile X syndrome）和雷特综合症（Rett syndrome）是分别影响男、女性，已知、最普遍的遗传性、智障性神经疾病。它们的致病基因分别为Fmr1及Mecp2。Fmr1和Mecp2分别编码FMRP及MeCP2蛋白。FMRP主要抑制mRNA翻译。MeCP2是一个具甲基化CpG结合结构域的蛋白。FMRP可能通过microRNA来调控成年神经干细胞（ANSCs）的增殖与分化。MeCP2与ANSCs中DNA甲基化及非编码RNA具有相关性。考虑到ANSCs在情感形成与表达及学习与记忆中的重要作用，我们将利用小鼠模型研究ANSCs中FMRP、MeCP2、DNA甲基化及非编码RNA等表观遗传层次的调控在感情形成、表达及学习、记忆中的重要作用。我们的研究将有助于进一步揭示情感与记忆的分子机理及认识Fragile X syndrome和Rett syndrome的致病机理。

在此基金的资助下，我们课题组发表了Nature Structural & Molecular Biology, P.N.A.S., Cell Discovery等九篇文章，项目负责人单革均为这些论文的通讯作者。其中与此项目最为相关的主要研究成果发表在Nature Molecular & Structural Biology（2015）。RNAi/microRNA通路是包括干细胞在内的真核细胞当中重要的调控通路。脆性X综合症(Fragile X syndrome) 致病基因fmr1的编码产物为FMRP蛋白。近年来的研究表明FMRP对靶mRNA的翻译抑制有可能是通过microRNA作用通路来实施的。microRNA的功能受到诸如环RNA（circRNA）的调控。我们实验室发现了一类新型的环状非编码RNA，在这类环状RNA中，内含子没有被除去、而是被保留在环形RNA当中，因此这类RNA被作者命名为外显子-内含子环形RNA（EIciRNA）。该文研究了外显子-内含子环形RNA的功能，发现此类非编码RNA可以调控其自身所在的基因的表达。进一步的研究 表明外显子-内含子环形RNA是通过招募U1小RNA蛋白复合物（U1 snRNP）来促进基因转录的起始。环形RNA分子是最近数年才引起研究人员注意的，而此前的研究主要集中在线形RNA分子上。研究发现，EIciRNA完全定位于细胞核中，这一点也与以前发现的其它完全由外显子形成的环形RNA的细胞质定位不同。在此文当中作者对为什么这些RNA会成为环形而不是线形分子也进行了研究，发现成环序列两端经常会有互补的重复序列存在。此次发现外显子-内含子环 形RNA、以及对其功能和功能机理的研究，加深了对非编码RNA种类和功能的认识（Nat. Struc. Mol. Bio., 2015）。EIciRNA可能起到抑制DNA甲基化并促进基因表达的作用。这些研究成果为我们进一步研究DNA甲基化及非编码RNA与包括神经疾病在内的多种疾病自己的关系打下了坚实的基础。