title: Regulation of microRNA function in neuronal development by the transcription co-activator Ncoa3
title: Regulation der microRNA Funktion in neuronaler Entwicklung durch den Transkriptionscoaktivator Ncoa3
Creators: name: Störchel, Peter
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: Nervenzelle
transkription
dendritic spine
Neuron
microRNA, miRNA
Medical sciences, Medicine
Medizin, Gesundheit
Ncoa3
AIB1
dendrite
SRC3, Ago2
miRNS
miRNA function

description: Tightly orchestrated gene
      expression programs enable proper neuronal development as
      well as the synaptic adaptations that are responsible for
      learning and memory processes. MicroRNAs (miRNAs) are a class
      of short regulatory RNA molecules which negatively affect the
      translation of target mRNAs, thereby contributing to the
      regulation of gene expression during brain development and
      cognitive functions. In the present cumulative thesis, I
      summarize my contributions to three research articles which
      describe the impact of specific miRNAs and an upstream
      regulator, the nuclear receptor co-activator 3 (Ncoa3), on
      neuronal growth and synaptic function. In the first
      publication, we identified miR-181a to be enriched at
      synaptic sites of the nucleus accumbens, a brain region of
      the dopaminergic mesolimbic system which is involved in the
      development of addiction. Using primary neurons, we
      demonstrated that miR-181a directly regulates the expression
      of the AMPA-receptor (AMPA-R) subunit GluA2.
      Neuromorphological analysis and electrophysiological
      measurements showed that miR-181a affects transmission at
      excitatory synapses. Dopamine signaling stimulated the
      expression of miR-181a which further influenced the
      dopamine-dependent control of GluA2 expression. Treatment of
      mice with several drugs of abuse specifically upregulated
      miR-181a levels in different brain regions. Taken together,
      this publication established miR-181a as novel regulator of
      synaptic efficacy and in the context of the present
      literature as a potential modulator of addiction behavior.
      Based on previous findings that showed the synaptic
      localization of miR-137 and that identified mutations in the
      MIR137 gene associated with schizophrenia and cognitive
      disabilities, we investigated the postsynaptic functions of
      miR-137 in the second publication. Manipulations of miR-137
      expression provided evidence that the AMPA-R subunit GluA1
      mRNA is a direct target of miR-137. Intriguingly,
      morphological and electrophysiological measurements revealed
      that miR-137 regulates the number but not the strength of
      excitatory synapses. MiR-137 further promoted the formation
      of silent synapses, since miR-137 manipulations affected
      AMPA-R-, but not NMDA-receptor (NMDA-R)-dependent currents.
      Furthermore, induction of miR-137 expression was required for
      mGluR-dependent long term depression (LTD). Therefore, this
      research article provides experimental support for a
      postsynaptic function of miR-137 in the regulation of synapse
      formation and plasticity, with possible implications for
      schizophrenia and cognitive disabilities. In the third
      publication, which includes the main part of my PhD project,
      10 novel regulators of miRNA-dependent gene silencing in
      neurons were identified by performing an RNAi-based screen.
      One of the newly ascertained proteins was Ncoa3, a
      transcription co-activator whose function in hippocampal
      neurons was not studied. Reporter gene assays showed that
      Ncoa3 was required for miRNA-mediated repression of a
      specific set of miRNA target genes, including Limk1. In
      addition, Ncoa3-knockdown increased endogenous Limk1 protein
      levels and interfered with miR-134-induced spine shrinkage.
      At the same time, Ncoa3 deficiency by itself reduced the size
      of dendritic spines and the amplitude of miniature excitatory
      postsynaptic currents (mEPSCs) while it stimulated dendrite
      growth. The latter phenotype was dependent on proper
      miRNA-expression. Ago2 is a central effector of miRNA
      repression and we established it further as a direct
      transcriptional target gene of Ncoa3. Epistasis experiments
      confirmed that both impaired dendritogenesis and miRNA
      function upon Ncoa3 knockdown were a result of reduced Ago2
      expression. Thus, this publication uncovered a novel
      transcriptional mechanism for the control of miRNA-dependent
      repression during neuronal development. In summary, these
      findings decipher neuronal gene expression programs which
      control synaptic adaptations and thus are potentially
      involved in learning and memory processes.
description: 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.