doctoralThesis molecular neuroscience neuronal development miRNS Life sciences Biowissenschaften, Biologie neuronale Entwicklung 2015-11-06 non-coding RNAs Regulation of microRNA function in rodent hippocampal neurons by an alternative Ube3a transcript mikroRNA Regulierung von mikroRNA funktion in Nageltier hippocampale Neuronen von einem alternativen Ube3a Transkript microRNAs Valluy, Jeremy Valluy Jeremy English Physiologische Chemie Medizin nicht-kodierenden RNA The activity-dependent regulation of neuronal maturation is important for the development of neural circuits and cognition. Defects in this process lead to severe neurodevelopmental disorders associated with intellectual disability and autism (Kuczewski et al., 2010). UBE3A has been previously demonstrated to control important aspects of neuronal maturation. UBE3A loss-of-function mutations cause Angelman syndrome (AS) (Kishino et al., 1997), whereas increased UBE3A gene dosage has been associated with autism-spectrum disorders (ASD) (Glessner et al., 2009). The UBE3A gene encodes an enzyme with ubiquitin ligase activity which is important for the degradation of neuronal proteins by the ubiquitin proteasome system. However, defects in UBE3A enzymatic activity unlikely account for the full spectrum of AS and ASD cases, since rare mutations outside the coding region have been identified (Bird, 2014). Recently, several alternative Ube3a transcripts have been described that include variable 5' and 3' ends, suggesting complex post-transcriptional regulation of Ube3a expression. In particular, the different 3’UTRs present in Ube3a 3' variants could be used for differential regulation of mRNA localization and translation. However, little was known concerning expression, localization and regulatory functions of the alternative Ube3a transcripts. In this work, I discovered that the rodent Ube3a1-RNA, which contains a truncated coding sequence and an alternative 3'UTR, has unique functions in neuronal maturation and a gene regulatory function that strongly differ from functions of the transcripts that code for the active Ube3a enzyme. Ube3a1-RNA is specifically increased by elevated neuronal activity and preferentially localizes to neuronal dendrites. Opposite to Ube3a enzyme-coding transcripts, Ubea1 is a negative regulator of dendrite outgrowth in rodent hippocampal neurons both in dissociated neuronal cultures and in vivo. In addition, Ube3a1 is necessary for dendritic spine maturation in cultured hippocampal neurons. Surprisingly, I found that the function of Ube3a1-RNA in the context of dendrite outgrowth was coding-independent and could be attributed to the presence of the alternative 3'UTR. Considering the molecular mechanisms underlying Ube3a1-RNA function, I found that the Ube3a1-RNA 3’UTR is a target of several microRNAs encoded by the miR-379/410 cluster, including miR-134 that was previously implicated in dendritogenesis and spine maturation. However, Ube3a1-RNA is not regulated by miRNAs in a canonical manner, but rather competes with other miR-379/410 target mRNAs for binding to common miRNAs. Therefore, Ube3a1-RNA can be considered as a competing endogenous RNA (ceRNA) following a hypothesis that was previously put forward in cancer cell lines. (Salmena et al., 2011) In conclusion, the results from my thesis describe a new gene regulatory mechanism operating in neuronal dendrites with important implications for neuronal maturation, circuit development and neurodevelopmental disorders. opus:6462 2015-12-16 monograph https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2015/0617/cover.png application/pdf Publikationsserver der Universitätsbibliothek Marburg Universitätsbibliothek Marburg Philipps-Universität Marburg https://doi.org/10.17192/z2015.0617 Die aktivitätsabhängige Regulation der neuronale Reifung ist ein wichtiger Teil der Entwicklung von neuronalen Schaltkreisen und Kognition. Defekte in diesem Prozess führen zu schweren neurologischen Entwicklungsstörungen und Autismus (Kuczewski et al., 2010). Es wurde bereits gezeigt, dass UBE3A wichtige Aspekte der neuronale Entwicklung kontrolliert. Mutationen, die zum Verlust der Funktion von UBE3A führen, verursachen Angelman Syndrom (AS) (Kishino et al., 1997), während erhöhte UBE3A Gendosis mit Autismus (ASD) assoziiert ist (Glessner et al., 2009). Das UBE3A Gen kodiert ein Enzym mit Ubiquitin Ligase Aktivität, die für den Abbau neuronaler Proteine durch das Ubiquitin-Proteasome-System wichtig ist. Defekte der enzymatischen Aktivität von UBE3A sind jedoch mit geringer Wahrscheinlichkeit die einzige Ube3a-abhängige Ursache von AS oder ASD, da hier seltene Mutationen identifiziert wurden, die außerhalb der kodierenden Region liegen (Bird, 2014). Mehrere alternative Ube3a Transkripte wurden beschrieben, die unterschiedliche 5' und 3' Enden enthalten, was auf eine komplexe posttranskriptionale Regulation von Ube3a Genexpression hinweist. Insbesondere könnten verschiedene 3'UTRs in Ube3a 3‘-Varianten für differenzielle Regulation der Lokalisierung und Translation genutzt werden. Betreffend der Expression, Lokalisierung und regulatorischen Funktion der alternativen Ube3a Transkripte war jedoch wenig bekannt. In dieser Arbeit, entdeckte ich dass die Ube3a1-RNA, welche eine verkürzte kodierende Sequenz und eine alternative 3'UTR enthält, einzigartige Funktionen in neuronaler Reifung und eine genregulatorische Funktion, die stark von der Funktion der Transkripte die das aktive Ube3a Enzym kodieren abweicht, hat. Ube3a1-RNA ist spezifisch erhöht durch verstärkte neuronale Aktivität, und lokalisiert bevorzugt in neuronalen Dendriten. Im Gegensatz zu Ube3a enzymkodierenden Transkripten, ist Ube3a1 ein negative Regulator von Dendritenwachstum in hippocampalen Neuronen des Nagetiers, sowohl in dissoziierten Kulturen als auch in vivo. Zusätzlich, ist Ube3a1 nötig für die Reifung von dendritischen Dornfortsätzen. Überraschenderweise habe ich herausgefunden, dass die Funktion von Ube3a1-RNA im Zusammenhang mit dendritischem Wachstum unabhängig von der kodierenden Funktion ist, und der Gegenwart einer alternativen 3'UTR zugeschrieben werden konnte. Bezüglich der molekularen Mechanismen die der Ube3a1-RNA Funktion zugrunde liegen, habe ich herausgefunden, dass der Ube3a1 3'UTR ein Ziel mehrerer MikroRNAs des miR379/410 Clusters, inklusive miR-134, die bereits in Dendritenwachstum und in der Reifung von Dornfortsätze impliziert wurde, ist. Ube3a1-RNA ist jedoch nicht in kanonischer Weise von MikroRNAs reguliert, sondern konkurriert mit anderen miR-379/410 Ziel-RNAs für die Bindung gemeinsamer MikroRNAs. Deshalb kann man Ube3a1-RNA nach einer Hypothese, die früher für Krebszellen gelegt wurde, als „competing endogenous RNA“ (ceRNA) erachten. (Salmena et al., 2011) Letztendlich beschreiben die Ergebnisse, die ich aus meiner Doktorarbeit erhalten habe, einen neuen Mechanismus der Genregulation in neuronalen Dendriten mit wichtigen Bedeutungen für neuronale Reifung, Entwicklung von neuronalen Schaltkreisen und neurologische Entwicklungsstörungen. molekulare Neurowissenschaft urn:nbn:de:hebis:04-z2015-06171 2015 ths Prof. Dr. Schratt Gerhard Schratt, Gerhard (Prof. Dr.)