Regulation of microRNA function in neuronal development by the transcription co-activator Ncoa3

Präzise koordinierte Genexpressionsprogramme ermöglichen korrekte neuronale Entwicklung und synaptische Anpassungen, die für Lern- und Gedächtnisprozesse verantwortlich sind. MicroRNAs (miRNAs) sind eine Klasse kurzer regulatorischer RNA-Moleküle, welche die Translation von spezifischen Ziel-mRNAs u...

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Main Author: Störchel, Peter
Contributors: Schratt, Gerhard (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2015
Physiologische Chemie
Subjects:
Online Access:PDF Full Text
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Description
Summary:Präzise koordinierte Genexpressionsprogramme ermöglichen korrekte neuronale Entwicklung und synaptische Anpassungen, die für Lern- und Gedächtnisprozesse verantwortlich sind. MicroRNAs (miRNAs) sind eine Klasse kurzer regulatorischer RNA-Moleküle, welche die Translation von spezifischen Ziel-mRNAs unterdrücken und dadurch zur Regulation der Genexpression während der Entwicklung des Gehirns und kognitiver Fähigkeiten beitragen. In der vorliegenden kumulativen Dissertation fasse ich meinen Beitrag zu drei Forschungsartikeln zusammen. Sie beschreiben den Einfluss von bestimmten miRNAs, sowie eines vorgeschalteten Regulators (Nuclear receptor co-activator 3 (Ncoa3)) auf neuronales Wachstum und synaptische Funktion. In der ersten Veröffentlichung entdecken wir eine Anreicherung von miR-181a an Synapsen des Nucleus Accumbens, einer Hirnregion des dopaminergen mesolimbischen Systems, die an der Entwicklung von Suchterkrankungen beteiligt ist. Mittels primärer Neuronen wiesen wir nach, dass miR-181a die Expression der AMPA-Rezeptor(AMPA-R)-Untereinheit GluA2 direkt reguliert. Neuromorphologische Analysen und elektrophysiologische Messungen zeigten zudem, dass miR-181a die Reizübertragung an exzitatorischen Synapsen beeinflusst. Aktivierung des Dopamin-Signalwegs stimulierte die Expression von miR-181a, was sich wiederum auf die Dopamin-abhängige Kontrolle der GluA2 Expression auswirkte. Die Gabe von unterschiedlichen psychoaktiven Substanzen führte bei Mäusen ebenfalls zu einer spezifischen Erhöhung der miR-181a Expression in verschiedenen Hirnregionen. Zusammengefasst etabliert diese Veröffentlichung miR-181a als neuen Regulator von synaptischer Übertragung und im Kontext aktueller Literatur als potentiellen Modulator von Suchtverhalten. Basierend auf früheren Befunden, welche die synaptische Lokalisierung von miR-137 zeigten, und eine Assoziation von Mutationen im MIR137 Gen mit Schizophrenie und geistiger Behinderung identifizierten, untersuchten wir in der zweiten Veröffentlichung die postsynaptische Funktion von miR-137. Einflussnahme auf die miR-137 Expressionslevels belegte, dass die AMPA-R-Untereinheit GluA1 mRNA ein direktes Ziel von miR-137 ist. Interessanterweise zeigten morphologische und elektrophysiologische Messungen, dass miR-137 nur die Anzahl, nicht jedoch die Stärke von exzitatorischen Synapsen reguliert. Ferner begünstigte miR-137 die Bildung von stummen Synapsen, da veränderte miR-137 Expression zwar AMPA-R-abhängige, nicht jedoch NMDA-Rezeptor(NMDA-R)-abhängige Ströme beeinflusste. Außerdem war der Anstieg von miR-137 notwendig für mGluR-abhängige Langzeit-Depression (LTD). Diese Publikation untermauert somit eine postsynaptische Funktion von miR-137 in der Regulation von Synapsenbildung und –plastizität, sowie eine damit verbundene mögliche Bedeutung für Schizophrenie und geistige Behinderung. In der dritten Veröffentlichung, die den Hauptteil meiner Doktorarbeit beinhaltet, wurden mittels einem RNAi-basierten Screen zehn neue Regulatoren der miRNA-abhängiger Geneexpressionshemmung in Neuronen identifiziert. Eines der neu ermittelten Proteine war Ncoa3, ein Transkriptionscoaktivator dessen Funktion in Hippocampus-Neuronen bislang noch nicht untersucht war. Reportergen-Assays zeigten, dass Ncoa3 für miRNA-vermittelte Repression bei einer spezifischen Gruppe von miRNA-Zielgenen, inklusive Limk1, erforderlich ist. Zusätzlich hatte Ncoa3-knockdown zur Folge, dass endogene Limk1 Proteinmengen erhöht waren, und dass das miR-134-induzierte Schrumpfen von dendritischen Dornfortsätzen gestört war. Alleinige Ncoa3-Defizienz war zudem ausreichend die Größe von dendritischen Dornfortsätzen und die Amplitude von Miniatur exzitatorischen postsynaptischen Strömen (mEPSCs) zu reduzieren, während sie das Dendritenwachstum stimulierte. Dieser letztere Phänotyp war abhängig von ordnungsgemäßer miRNA-Expression. Ago2 ist ein zentraler Effektor von miRNA-Repression und wir etablierten es ferner als direktes transkriptionelles Zielgen von Ncoa3. Epistase-Experimente bestätigten, dass sowohl das durch Ncoa3-knockdown beeinträchtigte Dendritenwachstum, als auch die gestörte miRNA-Funktion, ein Ergebnis der reduzierten Ago2 Expression ist. Folglich enthüllt diese Veröffentlichung einen neuen transkriptionellen Mechanismus für die Kontrolle von miRNA-abhängiger Repression in neuronaler Entwicklung. Zusammenfassend entziffern diese Befunde neuronale Genexpressionsprogramme, die synaptische Anpassungen kontrollieren und so möglicherweise in Lern- und Gedächtnisprozessen involviert sind.
Physical Description:123 pages.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2015.0628