Post-transcriptional regulation of microRNA biogenesis and localization in mammalian neurons

The remarkable cognitive capabilities of our brain require a complex and dynamic network of neurons that is able to quickly and precisely react to changes. Adapting to an ever-changing environment and the storage of information requires that sensory information is transformed into long-lasting st...

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Main Author: Weiß, Kerstin
Contributors: Schratt, Gerhard (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2019
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Table of Contents: Die bemerkenswerten kognitiven Prozesse, die unser Gehirn bewältigen muss, erfordern ein komplexes und dynamisches Netzwerk von Neuronen, das in der Lage ist, schnell und präzise auf Veränderungen zu reagieren. Um sich an veränderte Umwelteinflüsse anzupassen und Informationen zu speichern, müssen sensorische Informationen als langanhaltende struturelle Veränderungen in unserem Gehirn verankert werden. Auf molekularer Ebene sind hierzu hochentwickelte und streng regulierte Genexpressionsprogramme erforderlich, die die synaptischen Verbindungen in unserem Gehirn verändern und ausbauen, ohne das bereits bestehende Netzwerk zu stören. MicroRNAs sind wichtige Regulatoren in diesem neuronalen Netzwerk, da sie in der Lage sind, Genexpression lokal und präzise zu regulieren. Die kleinen, nicht-kodierenden RNAs binden dabei an komplementäre Sequenzen in Ziel-mRNAs und unterdrücken deren Proteinsynthese. Eine Rolle spielt dies bei der aktivitätsabhängigen Synapsenentwicklung, bei der neue Proteine lokal benötigt werden, um nachhaltige Änderungen der Synapsenstärke herbeizuführen, die die molekulare Grundlage für Prozesse wie Lernen und Gedächtnisbildung sind. Die vorliegende kumulative Dissertation präsentiert zwei Studien, die sich damit beschäftigen, wie neuronale microRNAs in ihrer Expression und Lokalisierung reguliert werden. Die erste Publikation "The DEAH-box helicase DHX36 mediates dendritic localization of the neuronal precursor-microRNA-134" untersucht dabei den Transport von miRNA-134 zu ihrem Wirkungsort an der Synapse. Die Studie beschreibt, dass bereits die Vorstufe der microRNA (die pre-miRNA) an der Synapse lokalisiert ist und identifiziert mit DHX36 ein Protein, das pre-miR-134 spezifisch bindet und für den Transport von Bedeutung ist. Durch Knockdown von DHX36 wird gezeigt, dass die Lokalisierung von pre-miR-134 im Dendriten von funktioneller Bedeutung ist. Abwesenheit von DHX36 führt so zu einer verstärkten Expression von bekannten miR-134 Zielgenen und einem damit einhergehenden vergrößerten Volumen dendritscher Dornfortsätze, dem postsynaptischen Teil der Synapse. In der zweiten Studie dieser Arbeit mit dem Titel "The nuclear matrix protein Matr3 regulates processing of the synaptic microRNA-138-5p", wird die Expression der micro- RNA miR-138 untersucht. Für miR-138 sind zwei verschiedene pre-miRNAs bekannt, pre-miR-138-1 und pre-miR-138-2. In unserer Studie zeigen wir auf, dass pre-miR- 138-2 die Vorstufe ist, die hauptsächlich für die Expression der reifen miR-138 in Neuronen verantwortlich ist. Mittels eines Pulldown-Assays identifizieren wir außerdem mit Matr3 ein Protein der nukleären Matrix, das spezifisch an die Haarnadelstruktur des Primärtranskripts pri-/pre-miRNA-138-2 bindet. Hemmung der Matr3 Expression zeigt auf, dass Matr3 die Prozessierung der pri-miR-138-2 im Zellkern hemmt und somit zu einer verminderten Expression von reifer miR-138 führt. Zusammenfassend beschreibt diese Arbeit neuartige regulatorische Mechanismen für zwei neuronale microRNAs, miR-134 und miR-138. Beide microRNAs spielen eine wichtige Rolle für Prozesse der synaptischen Plastiziät und eine präzise Regulation ihrer Expression ist von großer Bedeutung, um ein stabiles und funktionierendes neuronales Netzwerk aufrechtzuerhalten. Ein größeres Verständnis der Regulation dieser micro- RNAs und ihrer nachgeschalteten Prozesse stellt daher einen wichtigen und weiteren Schritt dar, um komplexe kognitive Prozesse wie Lernen und Gedächtnis zu verstehen und weitere Einblicke in deren Fehlfunktionen, wie etwa bei neurologischen Erkrankungen, zu erhalten.