神经兴奋性对比大鼠品系海马体的转录组特征

《PLOS One》：Transcriptomic profile of the hippocampus of rat strains with contrasting nervous system excitability

　　

个体对环境影响的反应变异性（决定了“反应规范”的范围和适应可能性）在很大程度上由神经系统的遗传特性塑造，包括遗传决定的兴奋性差异。通过选择性培育具有对比神经兴奋性阈值的大鼠品系，为研究这种遗传差异如何在分子水平上体现提供了模型。在此，研究人员对高兴奋性（LT）和低兴奋性（HT）大鼠的海马体进行了批量RNA测序，以表征品系间基线转录组差异。差异表达分析揭示了品系特异性转录谱，不仅涉及突触和可塑性相关基因，还涉及与胶质/免疫功能、细胞内运输和蛋白质加工、激酶信号传导、细胞外基质重塑和神经血管调节相关的非神经元成分。功能注释强调了突触组织、神经元投射发育、细胞维持通路和组织水平调控过程的差异。该分析激发了涉及突触/神经突组织、细胞维持通路（与MAPK（丝裂原活化蛋白激酶）/PI3K（磷脂酰肌醇3-激酶）相关的运输和氧化还原调节）以及胶质/神经血管组分的可测试假设，将在后续研究中使用结构和功能组织水平测量进行评估。这项工作也为跨模型比较多基因兴奋性相关性状提供了参考，作为来自长期选择性培育范式的参考转录组谱。

## 论文解读：神经兴奋性对比大鼠品系海马体的转录组特征

### 研究背景与目的

个体对环境刺激（包括物理、化学和心理社会因素）的反应变异性是复杂神经系统生物的基本特性。决定这种变异性的主要因素之一是神经系统的兴奋性，这是一种遗传编码的特质，关联于神经反应的阈值和动力学。因此，深入理解遗传性兴奋性差异背后的分子和遗传机制，对于识别决定适应储备并可能导致对多种病理（包括但不限于应激相关障碍）易感性或恢复力的生物学风险因素和通路至关重要。研究复杂性状的有效策略之一是利用模式生物的选择性培育，从而沿特定行为或生理轴产生受控的遗传差异。已有模型如高焦虑与低焦虑样行为大鼠（HAB与LAB）以及高反应与低反应品系（bHR/bLR），但这些模型通常基于行为选择，可能受到未控制因素和行为测试复杂性的干扰。相比之下，本研究模型基于一个直接且可量化的生理性状——胫神经兴奋性阈值，该阈值反映了神经元反应的基本特性。针对这一性状的长期选择产生了两个品系：低阈值（LT，高兴奋性）和高阈值（HT，低兴奋性）大鼠。这些品系在中枢神经系统（CNS）兴奋性和行为特征上表现出稳定的差异，使其成为剖析遗传性兴奋性分子基础的有价值系统。鉴于海马体在调节神经兴奋性、情绪处理和应激反应中的关键作用，以及其在兴奋性相关病理中的已知参与，研究人员选择这一结构来研究品系间的转录组差异。具体任务包括：1）确定LT与HT品系海马体中哪些基因显示差异表达（DEGs）；2）通过基因本体论（GO）注释DEGs（涉及生物过程、细胞组分和分子功能）来表征品系间转录组差异的功能结构；3）通过构建蛋白-蛋白相互作用（PPI）网络并识别关键功能类别的聚类模块，探索DEGs组织成互作模块的方式。该设计并非旨在展示基因表达与表型之间的因果联系，而是试图描绘因选择高和低神经兴奋性阈值而形成的完整大鼠海马体品系间转录组差异图谱。这些转录谱为后续在遗传性兴奋性差异背景下研究应激或衰老相关效应提供了基线参考，因为它们允许预测取决于高和低兴奋性遗传背景的对应激及其他极端因素反应的性质，并区分沿预先存在的品系间轴发生的表达变化与新颖的、暴露诱导的变化。该研究发表在《PLOS One》。

### 主要技术方法（≤250字）

研究人员使用了来自I.P. Pavlov生理学研究所（俄罗斯科学院）的F72代选择性培育品系：HT（高阈值，低兴奋性）和LT（低阈值，高兴奋性）大鼠，每组各5只5月龄雄性。对海马体组织进行批量RNA测序（Illumina HiSeq1500平台，50-bp单端读数）。差异表达分析采用DESeq2，以FDR（错误发现率）校正后的p_adj<0.05为阈值。基因本体论（GO）富集分析使用DAVID数据库，蛋白-蛋白相互作用（PPI）网络分析使用STRING数据库（v12.0），聚类采用马尔可夫聚类算法（MCL）。

### 研究结果

#### 神经兴奋性对比大鼠品系海马体中的差异基因表达
研究人员以LT品系相对于HT品系确定了差异表达方向与倍数变化。共识别出654个差异表达基因（DEGs），其中270个在LT中表达更高，384个在HT中表达更高（p_adj<0.05）。基于这654个DEGs的主成分分析（PCA）显示LT和HT样本完全分离，前两个主成分解释了总方差的81.7%。基于全转录组背景表达矩阵的额外PCA也保留了品系间分离，但方差解释比例较低（32.7%）。圆形聚类热图显示了167个DEGs的两个主要基因簇：一个在LT品系中表达更高（70个DEGs），另一个在LT品系中表达更低（97个DEGs）。这些结果支持存在结构化的品系间海马体表达特征，并推动了后续功能注释分析。

#### 基因本体论富集分析
为了探索654个DEGs的生物学意义，研究人员进行了GO富集分析。在生物过程（BP）类别中，最富集且生物学相关的通路包括“MAPK级联的调节”、“神经元投射形态发生”、“神经元投射发育的调节”、“超分子纤维组织”和“胶质细胞发生”。还发现了直接涉及正常和病理条件下行为调节的通路，如“突触组织”、“认知”、“学习或记忆”、“突触可塑性的调节”、“前体代谢物和能量的产生”以及“细胞外基质组织”。在细胞组分（CC）类别中，最富集的通路为“神经元-神经元突触”、“膜侧面”、“细胞外基质”、“细胞前端”、“远端轴突”、“高尔基体亚区室”和“分泌颗粒”。对于分子功能（MF），最显著类别包括“信号受体活性”、“氧化还原酶活性”和“钙离子结合”。整体上，GO分析指出了品系海马体转录谱中的几个主要功能趋势：除了广泛的突触/可塑性相关类别外，富集术语还指向神经元过程发育、胶质相关功能、细胞外基质组织、激酶相关信号、细胞内运输以及代谢/氧化还原相关过程。

#### 蛋白-蛋白相互作用
STRING分析整个DEG集（654个基因）显示显著的蛋白-蛋白互作富集（639个节点，547条边；平均节点度1.71；PPI富集p=7.77×10^-16），表明HT与LT品系间的转录组差异并非随机分布在独立基因中，而是部分组织成相互连接的分子系统。为了进一步检查与生物学相关GO类别相关联的选定DEG子集的功能组织，研究人员为参与“突触可塑性的调节”和“MAPK级联的调节”的基因构建了聚焦PPI网络。对于突触可塑性网络，MCL聚类揭示了三个功能模块：模块1（红色，18个基因）代表核心突触可塑性模块，涵盖神经递质释放和细胞骨架组织的关键调节因子（如Snap25、Camk2a、Ntrk2、Mapt、Gfap）；模块2（绿色，2个基因：Grin2c、Grik1）对应于离子型谷氨酸受体活性；模块3（蓝色，Penk和Vgf）包括与神经营养信号和可塑性调节相关的神经肽编码基因。对于MAPK级联调节网络，STRING分析揭示了五个不同簇：簇1对应磷脂酶活性的调节，包括关键上游调节因子（如Agt、Ednra、Pdgfrb、Flt1、Agtr1）；簇2反映参与髓系白细胞分化正向调节的基因；簇3包含参与神经营养因子和GPCR（G蛋白偶联受体）信号传导的受体（Ntrk2、Ntsr2、Gpr37l1、Rit2）；簇4代表参与微绒毛组装和肌球蛋白II结合的细胞骨架成分（Ezr、Sln）；簇5包括早期细胞命运决定的转录调节因子（Sox2、Bmp4）。PPI分析帮助将选定的DEG相关类别解析为连接的模块。

### 讨论与结论总结

讨论部分指出，顶端DEGs（如Serpinf2、Stab2、Cd55、P2rx7、Slc35d3、Grin2c、Vgf等）可作为后续验证和构建最小标志物面板的具体候选基因，并关联到更广泛的GO/PPI结构。富集的GO类别涉及突触组织和神经元信号传导，表明海马体基线品系间差异的一个组分涉及突触/可塑性相关过程。另一个主要富集主题涉及神经元过程发育和胶质相关术语，包括神经元投射形态发生、轴突发育、胶质细胞发生和星形胶质细胞分化，以及相应CC富集于细胞突起膜和细胞皮层。这些富集信号表明，品系间差异可能涉及神经元过程结构和分区膜组织的差异，因此在形态和功能水平（神经突/轴突起始段组织和回路兴奋性测量）上最有益于后续研究。另一个富集聚类涉及应激/适应反应术语（例如“对损伤的反应”、MAPK和PI3K/AKT调节）以及高尔基体/内体区室和氧化还原酶活性，指向基线细胞维持组分。细胞外基质组织的富集表明品系特异性差异。整体上，HT与LT大鼠海马体基因表达变化影响多个层面，从突触传递和过程形态发生到细胞外环境调节和代谢支持。全DEG集显著的PPI富集表明差异组织在连接分子邻域中分布，涉及突触组织、信号、细胞维持和胶质/神经血管组分。论文结论部分翻译如下：所鉴定的海马体转录组谱为通过选择产生的品系间差异提供了分子基线，并有助于识别可能影响对应激及其他极端因素反应的候选通路，这些反应取决于与高和低兴奋性相关的遗传背景差异。对具有遗传决定神经兴奋性差异的大鼠品系海马体的转录组分析揭示了分子谱的差异，不仅涉及与神经元兴奋性、突触组织和结构神经可塑性相关的神经元因子，还涉及与胶质功能、细胞应激反应、MAPK信号、细胞外基质重塑和血管调节相关的非神经元因子。这一基线特征为解释该模型未来的研究提供了参考框架，有助于区分组成性品系间差异与实验操作诱导的变化。虽然本批量RNA测序方法不能提供直接的细胞类型分辨率，因此需要通过细胞类型分辨率方法进一步验证，但它帮助确定了品系间海马体差异组织的主要功能域。该分析激发了涉及突触/神经突组织、细胞维持通路（与MAPK/PI3K相关的运输和氧化还原调节）以及胶质/神经血管组分的可测试假设，将在后续研究中通过结构和功能组织水平测量进行评估。这项工作也为跨模型比较多基因兴奋性相关性状提供了参考，作为来自长期选择性培育范式的参考转录组谱。