Unique neuronal morphology and the information processing that occurs in distal dendritic and axonal compartments necessitates the cellular mechanisms for synthesis, modification, delivery and degradation of dendritic and synaptic proteins locally. In recent years, a variety of individual RNA molecules, regulating protein translation and other cellular functions, have been discovered in neuronal compartments . However, it is not fully understood which of the coding and noncoding genes are expressed in neuronal compartments and which function they might have in mRNA localization and RNA-regulated translation. To address this, we characterized the gene expression profile of mouse neuronal processes using a combination of synaptosomes isolation with high-throughput sequencing. We identified 19,303 protein coding genes expressed in mouse hippocampal synaptosomes. Of these, 1,446 were enriched by more than two fold compared to adult mouse hippocampus, including genes with previously described synaptic functions. Notably, by taking such an unbiased approach, we identified mRNAs expected to be entirely somatic, among them transcription factors, enriched in synaptosomes. The localization pattern of a subset could be validated by high resolution in situ hybridization. Among different classes of non-coding RNAs, circular RNAs (cRNAs), formed by the atypical head-to-tail splicing of exons, have re-emerged as a potentially interesting RNA species. We profiled the expression of cRNAs in different mouse tissues and found them to be more abundant in the brain. Interestingly, the loci deriving cRNAs in the brain showed enrichment of genes with synapse- related functions. More intriguingly, on average, cRNAs were more abundant in synaptosomes compared to the whole brain homogenate. All these observations suggest synapse related function of cRNAs in brain. Consistently with this hypothesis, we could observe the change of cRNAs expression during synaptogenesis in mouse hippocampus, some of which are not accompanied with the expression changes of their linear hosts. Moreover, we could demonstrate the expression change of a dozen of circular RNAs upon neuronal stimulation. Finally, we identified protein interaction partners of an abundant circular Homer1 transcript, many of which are known components of neuronal RNA transport granule, suggesting the circular RNAs might be actively transported to distal parts of the neuron. In conclusion, in this study, using an unbiased approach, we have characterized distally localized neuronal transcriptome, including both coding and non-coding RNAs. Our data serves an important resources for further functional study of RNA localization and local regulation in neuron.
Die einzigartige Morphologie von Neuronen und der Informationsfluss, der in dendritischen und axonalen Kompartimenten stattfindet, erfordern einen zellulären Mechanismus für die Regulation von Synthese, Modifikation sowie die Zufuhr und den Abbau von dendritischen und synaptischen Proteinen. Kürzlich wurde eine Vielzahl von verschiedenen RNA Mokelülen detektiert, welche die Proteinsynthese sowie andere zelluläre Funktionen in neuronalen Kompartimenten regulieren. Es ist jedoch unklar, welche kodierenden und nicht-kodierenden Gene in neuronalen Kompartimenten exprimiert sind und welche Rolle diese in Prozessen wie mRNA Lokalisation und RNA-regulierter Translation spielen. Um diese Fragestellung anzugehen, haben wir mittels Synaptosomen-Präparation und Hochdurchsatzsequenzierung das Genexpressionsprofil von neuronalen Fortsätzen charakterisiert. Wir identifizierten 19 303 protein-kodierende Gene in Synaptosomen des Hippokampus der Maus. Mehr als 1 446 waren zweifach angereichert im Vergleich zu Homogenaten des gesamten Gehirnes; unter ihnen Gene mit bereits beschriebenen synaptischen Funktionen. Bemerkenswerterweise haben wir mittels dieses unvoreingenommenen Ansatzes auch Transkriptionsfaktoren identifiziert, die in Synaptosomen angereichert sind. Das Lokalisationsmuster einiger ausgewählter Kandidaten konnte mit Hilfe hochauflösender in situ Hybridisierung validiert werden. Zirkuläre RNAs (cRNAs), die durch nicht-konventionelles “head-to-tail” Splicing von Exons generiert werden, sind kürzlich erneut als eine potentiell interessante Klasse von regulatorischen RNAs (neben weiteren nicht-kodierenden RNAs) in den Fokus gerückt. Wir haben die Expression von cRNAs in unterschiedlichen Geweben des Maus untersucht und zeigen, dass diese im Gehirn am stärksten exprimiert sind. Interessanterweise waren die Genorte, welche die Expression von cRNAs steuern, häufig mit synaptischen Funktionen verknüpft. Ferner waren cRNAs im Durchschnitt stärker in Synaptosomen, als in Ganzhirnhomogenaten angereichert. Diese Beobachtungen deuten auf eine Funktion verbunden mit Synapsen im Gehirn hin. Im Einklang mit dieser Hypothese konnten wir eine Veränderung der Expression einiger cRNAs während der Synaptogenese im Hippokampus der Maus feststellen. Einige Veränderungen der cRNA Expression waren unabhängig von der Expression ihrer linearen Hostgene. Desweiteren konnten wir zeigen, dass einige cRNAs ihre Expression nach neuronaler Stimulierung ändern. Zum Schluss haben wir Proteininteraktionspartner einer stark angereicherten cRNA des Homer1 Transkriptes identifiziert. Darunter sind viele bekannte Komponenten von neuronalen RNA Transportgranula. Dies deutet darauf hin, dass cRNAs aktiv zu distalen Bereichen der Neuronen transportiert werden können. Zusammenfassend haben wir mittels eines unvoreingenommenen Ansatzes das distal lokalisierte neuronale Transkriptom, bestehend aus kodierenden- als auch nicht- kodieren RNAs, charakterisiert. Unsere Daten dienen als wichtige Informationsquelle für weitere funktionelle Studien der RNA Lokalisation sowie der regulatorischen Prozesse, die lokal in Neuronen stattfinden.
