title: Aktivitätsabhängige Regulation von miRNAs in verschiedenen subzellulären Kompartimenten von Neuronen und deren Einfluß auf die neuronale Morphogenese und Plastizität
title: Activity-dependent regulation of miRNAs in different subcellular compartments of neurons and its implications for neuronal morphogenesis and plasticity
title: Activity-dependent regulation of miRNAs in different subcellular compartments of neurons and its implications for neuronal morphogenesis and plasticity
Creators: name: Khudayberdiev, Sharof Abdumalikovich
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: microRNA
Dendritogenesis
Dendrit
Neuronen
Nucleus
Zellkern
Plastizität
Transcription factor
Transkriptionsfaktor
miRNS
Plasticity
Neuronale Aktivität
Nervenzelle
Neuronal activity
Naturwissenschaften
Dendritogenese
isomiR
Neuron
Dendriten
Dendrite

description: Die aktivitätsabhängige sowie
      räumlich-zeitlich koordinierte Regulation der Genexpression
      in Neuronen ist essentiell für die Bildung und Funktion
      neuronaler Schaltkreise im Gehirn. Vor kurzem wurden
      microRNAs, eine neue Klasse posttranskriptionaler Regulatoren
      der Genexpression, mit der Regulation neuronaler
      Differenzierung und Entwicklung in Verbindung gebracht. Des
      Weiteren konnte in reifen, voll entwickelten Neuronen gezeigt
      werden, dass miRNAs (z.B. miR-134) in der Kontrolle lokaler
      dendritischer Proteinsynthese in der Nähe von Dornfortsätzen
      involviert sind (Schratt et al., 2006). Diese
      aktivitätsabhängige lokale Proteinsynthese ist notwendig für
      synaptische Plastizität, welche als molekulare Grundlage von
      Lernen und Gedächtnis angesehen wird. Die molekularen
      Mechanismen, welche der Funktion und Regulation von miRNAs
      während synaptischer Plastizitätsvorgänge zugrunde liegen,
      sind jedoch noch weitestgehend unbekannt. In einer früheren
      Publikation unseres Labors wurde gezeigt, dass die Aktivität
      der im Gehirn angereicherten miRNA miR-134 durch den
      Wachstumsfaktor BDNF reguliert wird (Schratt et al, 2006),
      welcher im Rahmen synaptischer Stimulation in Neuronen
      freigesetzt wird. Interessanterweise ist diese miRNA im
      Mausgenom in einem großen miRNA Cluster (miR379-410 Cluster)
      kodiert, das aus insgesamt 39 miRNAs besteht. Die Expression
      des miR379-410 Clusters wird durch neuronale Aktivität
      mittels des Transkriptionsfaktors MEF2 induziert, welcher an
      eine dem Cluster vorgeschaltete regulatorische Region bindet
      (Fiore et al., 2009). Die transkriptionelle Hochregulierung
      einer Reihe von miRNAs des miR379-410 Clusters (miR-134, -381
      and -329) ist notwendig für die aktivitätsabhängige
      Dendritenentwicklung in hippocampalen Rattenneuronen. Des
      Weiteren zeigte sich, dass die posttranskriptionale
      Regulation des RNA-Bindeproteins Pumilio2 durch miR-134
      essentiell für aktivitätsabhängige Dendritogenese ist.
      Zusammenfassend haben wir einen neuen MEF2-miRNA-PUM2
      Signalweg identifiziert, der an der aktivitätsabhängigen
      Regulation der Dendritogenese in Primärneuronen beteiligt
      ist. MiR-134 ist in Dendriten hippocampaler Neuronen
      lokalisiert, wo sie die lokale Translation von Proteinen
      regulieren kann, die für die Struktur und Plastizität von
      Dornfortsätzen wichtig sind. Zu Beginn dieses Projekts war
      jedoch nicht bekannt, wie diese miRNA gezielt in Dendriten
      gelangt. Ich war an einem Projekt beteiligt, welches zum Ziel
      hatte, die Transportmechanismen von miR-134 in Dendriten zu
      zu charakterisieren. Wir konnten zeigen, dass die
      dendritische miR-134 Lokalisierung von der DEAH-box Helikase
      DHX36 vermittelt wird, welche an ein Cis-Element in der
      Loopregion des miR-134 Vorläufers (pre-miR-134) bindet
      (Bicker et al., 2013). Darüber hinaus beobachteten wir, dass
      Verlust von DHX36 zu erhöhten Proteinmengen von LIMK1 führt,
      einem dendritisch lokalisierten Zielgen von miR-134 (Schratt
      et al, 2006). Zusammenfassend haben wir einen neuen
      Mechanismus der dendritischen Lokalisierung von pre-miR-134
      beschrieben, der relevant ist für die Funktion von miR-134 in
      der Morphogenese dendritischer Dornfortsätze. Die
      aktivitätsabhängige Regulation der Genexpression im Zellkern
      spielt eine wichtige Rolle für die Entwicklung und Funktion
      des Nervensystems, wie etwa für synaptische Plastizität und
      Gedächtnisbildung. Interessanterweise deuten mehrere kürzlich
      veröffentlichte Publikationen darauf hin, dass miRNAs
      (und/oder siRNAs) bei der Regulation epigenetischer
      Modifikationen und alternativen Spleißens im Zellkern
      nicht-neuronaler Zellen eine Rolle spielen. Es war jedoch
      bislang unklar, ob miRNAs auch in neuronalen Zellkernen die
      Genexpression durch diesen Mechanismus regulieren können.
      Voraussetzung für die Analyse der miRNA Funktion im Zellkern
      von post-mitotischen Neuronen ist die Kenntnis des gesamten
      im Zellkern vorliegenden miRNA Repertoires. Mittels
      Microarray und Deep Sequencing Technologien habe ich deshalb
      zunächst jene miRNAs identifiziert, die im Zellkern von
      kortikalen Primärneuronen aus der Ratte angereichert sind
      (Khudayberdiev et al., 2013; Frontiers in Mol. Neurosci, zur
      Veröffentliching angenommen). Danach habe ich die
      unterschiedliche Expression spezifischer im Zellkern
      angereicherter miRNAs mittels Northern blot, quantitativer
      real-time PCR und fluoreszenter in situ Hybridisierung
      validiert. Durch Quervergleich mit publizierten Daten konnte
      ich herausfinden, dass die Anreicherung von miRNAs im
      Zellkern möglicherweise mit ihrer Herunterregulation während
      der in vitro Entwicklung kortikaler Neuronen einhergeht. Des
      Weiteren konnte ich eine Überrepräsentation von Guanin am 3’
      Ende von im Zellkern angereicherten miRNA Isoformen (isomiRs)
      nachweisen, die auf einen Neuronen-spezifischen Mechanismus
      der nukleären miRNA Lokalisierung hindeutet. Insgesamt
      stellen diese Resultate einen Ausgangspunkt für künftige
      Studien dar, die sich der Funktion spezifischer miRNAs im
      Zellkern und den detaillierten Mechanismen der subzellulären
      Lokalisierung von miRNAs in Neuronen widmen. Zusammenfassend
      zeigen die in meiner kumulativen Dissertation beschriebenen
      Arbeiten, dass die aktivitätsabhängige Regulation
      spezifischer miRNAs in verschiedenen subzellulären neuronalen
      Kompartimenten (Dendriten, Zellkern, Zellkörper) eine
      wichtige Rolle für die neuronale Morphogenese (Entwicklung
      von Dendriten und dendritischen Dornfortsätzen) und
      Plastizität spielt.
description: The activity-dependent
      spatiotemporal regulation of gene expression in neurons is
      essential for the formation and function of neuronal circuits
      within the brain. Recently microRNAs, a new class of
      post-transcriptional regulators of gene expression were
      implicated in the regulation of neuronal differentiation and
      development. Furthermore, in mature fully developed neurons,
      miRNAs (e.g. miR-134) were shown to be involved in the
      control of local protein synthesis in the vicinity of
      dendritic spines (Schratt et al., 2006). Activity-dependent
      local protein synthesis is required for synaptic plasticity,
      which is believed to be one of the molecular substrates of
      learning and memory. Nonetheless, the molecular mechanisms
      underlying the function and regulation of miRNAs during
      synaptic plasticity are poorly understood. In a previous
      publication from our lab, it was shown that the activity of
      the brain-enriched miRNA - miR-134 is regulated by
      brain-derived neurotrophic factor, which is released upon
      synaptic stimulation in neurons (Schratt et al, 2006).
      Interestingly, in the mouse genome this miRNA is encoded in a
      large miRNA cluster (miR379-410 cluster) consisting of 39
      miRNAs. The expression of the miR379-410 cluster is induced
      upon neuronal activity by virtue of myocyte-enhancing factor
      2, a transcription factor that binds to a regulatory region
      upstream of this cluster (Fiore et al., 2009). The
      transcriptional upregulation of a subset of miRNAs from the
      miR379-410 cluster (miR-134, -381 and -329) is necessary for
      activity-dependent dendritic development of rat hippocampal
      neurons. Furthermore, we found that the post-transcriptional
      regulation of the RNA-binding protein Pumilio 2 by miR-134 is
      essential for activity-dependent dendritogenesis. Taken
      together, we defined a novel MEF2-miRNA-PUM2 pathway involved
      in the activity-dependent regulation of dendritogenesis in
      primary neurons. MiR-134 localizes within dendrites of
      hippocampal neurons, where it can regulate the local
      translation of proteins important for spine structure and
      plasticity. However, at the beginning of this project, it was
      unknown how this miRNA is targeted to dendrites. I was
      involved in a project that aimed at identifying and
      characterizing the transport mechanism of miR-134 to
      dendrites. We found that the dendritic localization of
      miR-134 is mediated by the DEAH-box helicase DHX36 protein,
      which binds to a cis-acting element located within the loop
      region of the miR-134 precursor (pre-miR-134; Bicker et al.,
      2013). Furthermore, we showed that depletion of DHX36
      increased protein levels of LIM kinase 1, a dendritically
      localized target of miR-134 (Schratt et al, 2006). Moreover,
      the depletion of DHX36 led to an increase in dendritic spine
      size, a similar phenotype as observed upon inhibition of
      miR-134 activity. In summary, we described a novel mechanism
      for dendritic targeting of pre-miR-134 relevant for the
      function of miR-134 in spine morphogenesis.
      Activity-dependent regulation of gene expression in the
      nucleus is important for the development and function of the
      nervous system, including synaptic plasticity and memory
      formation. Interestingly, several recent reports suggested
      that miRNAs (and/or siRNAs) might be involved in the
      regulation of epigenetic modifications and alternative mRNA
      splicing events in the nucleus of non-neuronal cells.
      However, whether miRNAs employ this mechanism to regulate
      gene expression in the neuronal nucleus was not known. A
      prerequisite for the study of miRNA function in the nucleus
      of post-mitotic neurons is the a priori knowledge of the
      nuclear miRNA repertoire. Therefore, using microarray and
      deep sequencing technologies, I identified miRNAs which are
      enriched in the nuclei of rat primary cortical neurons
      (Khudayberdiev et al. 2013; Frontiers in Mol. Neurosci,
      accepted for publication). Subsequently, I validated
      differential expression of specific nuclear-enriched miRNAs
      by Northern blot, quantitative real-time PCR and fluorescence
      in situ hybridization. By cross-comparison to published
      reports, I found that nuclear accumulation of miRNAs might be
      linked to a down-regulation of their expression during in
      vitro development of cortical neurons. Importantly, I found a
      significant overrepresentation of guanine nucleotides at the
      3’ terminus of nuclear-enriched miRNA isoforms (isomiRs),
      suggesting the presence of neuron-specific mechanisms
      involved in miRNA nuclear localization. In conclusion, these
      results provide a starting point for future studies
      addressing the nuclear function of specific miRNAs and the
      detailed mechanisms underlying subcellular localization of
      miRNAs in neurons. Taken together, the results presented in
      my cumulative PhD thesis demonstrate that activity-dependent
      regulation of specific miRNAs in different subcellular
      neuronal compartments (dendrites, nucleus, and soma) plays an
      important role in neuronal morphogenesis (dendrite and spine
      development) and plasticity.