揭秘Npas4基因调控：精神疾病研究的新突破

　　最近的一项研究报道，R-loop的形成可以修复病理性DNA重复扩增和表观遗传失活FMR1（脆性X信使核糖核蛋白），这是导致发育障碍脆性X染色体综合症的原因。

　　

精神疾病对社会和经济都具有破坏性，影响到全球近14%的人口。在治疗和干预方面的投资很少，这主要是由于受折磨的患者被污名化以及这些疾病背后复杂的神经生物学。情绪体验，如暴露于药物或压力，如何影响行为是基础和临床研究的兴趣所在。这种经历与神经元PAS结构域蛋白4（Npas4）的表达有关，Npas4是一种公认的其他神经元基因的调节剂。在这期的1282页，秋木等报告了Npas4表达式的分子细节是如何受控的，它包括编码和非编码Npas4 RNA、RNA-DNA杂交形成，以及基因座内的三维（3D）染色质环。他们的发现指出了精神疾病的潜在机制。

基因表达的调控对神经元通讯和大脑功能至关重要。神经元的激活可以在对刺激的反应中发生。刺激激活膜结合受体，其信号集中于所谓的即时早期基因的快速和短暂激活。许多这样的基因，包括Npas4，编码调节基因表达的转录因子，这些基因是神经元可塑性所必需的。刺激依赖的、短暂的Npas4表达在啮齿动物中最初是在缺血性损伤中观察到的，后来也观察到对药物和压力暴露的反应。

基因激活取决于表观基因组，表观基因组由DNA和相关组蛋白以及非编码RNA的化学修饰组成。表观基因组在环境刺激下发生变化，影响基因表达、细胞功能、生理和行为。长链非编码RNA（lncRNAs）以多种方式与染色质和细胞的基因表达装置相互作用，促进或抑制基因表达，包括成瘾和抑郁等精神疾病。

Akiki等在小鼠暴露于可卡因或社会压力后，使用RNA测序分析小鼠的大脑区域，发现了一种高度保守、低丰度的lncRNA的刺激敏感表达。这种lncRNA也是一种增强子RNA（eRNA），因为它是从Npas4增强子序列位于Npas4基因编码区上游的序列。增强子与转录因子结合，使它们与编码区发生物理接触。在Npas4表达减少的小鼠脑中，lnc-eRNA阻断了Npas4的表达，当老鼠暴露在可卡因或压力下时。因此，Npas4 lnc-eRNA是刺激依赖性合成Npas4信使RNA。

值得注意的是，Akiki等观察到Npas4 lnc-eRNA形成一个依赖刺激的瞬时R-loop，即RNA-DNA杂交体。R-loop在整个基因组中形成，有助于基因调控，但如果不加以控制，可能导致基因组不稳定。Npas4 lnc-eRNA R-loop可能在转录过程中形成，Npas4 lnc-eRNA转录物侵入Npas4增强子的DNA。因此，尽管Npas4 lnc-eRNA R-loop形成于Npas4增强子，它在Npas4编码区。此外，Akiki等发现Npas4 lnc-eRNA R-loop稳定刺激依赖的瞬时三维染色质环，由增强子-启动子接触形成，从而激活Npas4转录（见图）。总的来说，Akiki等揭示了R-loop的新功能及其与lnc-eRNA在体内行为相关基因表达中的相互作用。

要了解Npas4 lnc-eRNA R-loop对Npas4转录的影响，Akiki等利用基于CRISPR的基因组编辑技术。在经典的CRISPR-Cas9系统中，Cas9酶在特定位置切割DNA，由设计用于结合目标DNA序列的短RNA分子引导。Akiki等利用无活性的Cas9与酶活性RNA降解酶（RNAse H1）融合，用Npas4-eRNA引导RNA特异性降解Npas4 lnc-eRNA R-loop。用CRISPR-H1系统消除R-loop减少了刺激诱导的Npas4体外和体内的转录，证明了该结构在调节Npas4表达中的重要性。

最近的一项研究报道，R-loop的形成可以修复病理性DNA重复扩增和表观遗传失活FMR1（脆性X信使核糖核蛋白），这是导致发育障碍脆性X染色体综合症的原因。在细胞模型中，一种基于CRISPR的系统通过产生R-loop来重新激活FMR1基因，R-loop利用DNA修复机制来收缩重复序列。因此，R-loop对神经生物学功能和疾病至关重要。

如此详细的基因调控机制知识可以指导复杂疾病的治疗发展，包括难治性精神疾病。尽管基于CRISPR的策略正在临床管道中推进，以治疗脊髓性肌萎缩和镰状细胞病，传统的基于CRISPR的编辑方法包含与基因组永久性变化相关的风险。另外，酶“死”工具，如CRISPR-H1，在不改变基因组的情况下改变基因的表观遗传表达。因此，靶向表观遗传编辑可能是一种很有前途的治疗干预策略，特别是对于神经元。