Funktionelle Charakterisierung der microRNA-26 Familie während der Zebrafisch Neurogenese

Formation oft the central nervous system (CNS) from multipotent neuronal stem cells (NSCs) requires a tightly controlled, step-wise activation of the neuronal gene expression program. Expression of neuronal genes at the transition from neural stem cell to mature neuron (i. e. neuronal cell differentiation) is controlled by the Repressor element 1 (RE1) silencing transcription factor (REST) complex. As a master transcriptional regulator, the REST-complex specifically inhibits expression of neuronal genes in non-neuronal tissues and neuronal progenitor cells. Differentiation of NSCs to mature neurons requires the activation of genes controlled by the REST-complex, but how abrogation of REST-complex mediated repression is achieved during neurogenesis is only poorly understood. MicroRNAs (miRNAs) are a class of small regulatory RNAs that posttranscriptionally control target gene expression. Binding of miRNAs to target sequences in the 3’UTR of mRNAs, leads either to degradation or translational inhibition of the mRNA. Distinct neuronal miRNAs (e.g. miR-124) were shown to modulate REST-complex activity by silencing expression of REST-complex components. Interestingly, these miRNAs are also under transcriptional control of the REST-complex and inactivation of the REST-complex precedes their expression. Hence, additional factors are required for derepression of neuronal genes at the onset of neurogenesis. In this study function of the miR-26 family during neurogenesis of the zebrafish (Danio rerio) was analyzed. Computational target prediction revealed a number of REST-complex components as putative miR-26 targets. One of these predicted target genes, the C-terminal domain small phosphatase 2 (Ctdsp2) was validated as an in vivo target for miR-26b. Ctdsps are important cofactors of REST and suppress neuronal gene expression by dephosphorylating the C-terminal domain (CTD) of RNA polymerase II (Pol II). Interestingly, miR-26b is encoded in an intron of the ctdsp2 primary transcript and is cotranscribed together with its host gene. Hence, miR-26b modulates expression of its host gene ctdsp2 in an intrinsic negative autoregulatory loop. This negative autoregulatory loop is inactive in NSCs because miR-26b biogenesis is inhibited at the precursor level. Generation of mature miR-26b is activated during neurogenesis, where it suppresses Ctdsp2 protein expression and is required for neuronal cell differentiation in vivo. Strikingly, miR-26b is expressed prior to miR-124 during neuronal cell differentiation. Thus, it is reasonable to speculate about a function of miR-26b in early events of neurogenesis. In line with this assumption, knockdown of miR-26b in zebrafish embryos results in downregulation of REST-complex controlled neuronal genes and a block in neuronal cell differentiation, most likely due to aberrant regulation of Ctdsp2 expression. This is evident by reduced numbers of secondary motor neurons compared to control siblings. In contrast, motor neuron progenitor cells and glia cells were not affected by depletion of miR-26b.This study identifies the ctdsp2/miR-26b autoregulatory loop as the first experimentally validated interaction between an intronic miRNA and its host gene transcript. Silencing of ctdsp2 by miR-26b in neurons is possible because biogenesis of the ctdsp2 mRNA and mature mir-26b is uncoupled at the posttranscriptional level. Furthermore the obtained data indicate a cell type specific role for miR-26b in vertebrate neurogenesis and CNS development.Die Entwicklung des Zentralen Nervensystems (ZNS) aus multipotenten neuronalen Stammzellen erfordert eine stufenweise und genau regulierte Aktivierung der neuronalen Genexpression. Bei der Differenzierung neuronaler Stammzellen zu Neuronen wird die Expression neuronaler Gene durch den sogenannten „Repressor element 1 (RE1) silencing transcription factor (REST)”-Komplex gesteuert. Der REST-Komplex unterdrückt spezifisch in proliferierenden neuronalen Vorläuferzellen die Expression neuronaler Gene. Während der neuronalen Zelldifferenzierung wird die Expression dieser Gene jedoch benötigt. Wie die Inaktivierung neuronaler Gene durch den REST-Komplex während des Prozesses der Neurogenese aufgehoben wird ist bislang nicht genau bekannt. MicroRNAs (miRNAs) sind kleine regulatorische RNAs, die die Expression ihrer Zielgene auf posttranskriptioneller Ebene regulieren. Dazu binden miRNAs an Zielsequenzen in 3’UTRs von mRNAs, was zu einer Inhibition der Translation oder Abbau der mRNA führt. Auch Komponenten des REST-Komplexes stehen unter Kontrolle bestimmter neuronaler miRNAs (z.B. miR-124). Erstaunlicherweise stehen diese miRNAs selber wiederum unter der transkriptionellen Inhibition des REST-Komplexes und können daher nicht für die Inaktivierung des REST-Komplexes zu Beginn der Neurogenese verantwortlich sein. Übereinstimmend damit konnte beobachtet werden, dass der REST-Komplex aus differenzierenden Zellen entfernt wird, bevor die genannten neuronalen miRNAs exprimiert werden. Diese Umstände legen die Existenz weiterer, bis jetzt unbekannter Faktoren nahe, die die Expression des REST-Komplexes selber inhibieren und so die Neurogenese erlauben Im Rahmen dieser Dissertation wurde die Funktion der miR-26 Familie während der Neurogenese des Zebrafisches (Danio rerio) untersucht. Eine bioinformatische Zielgenvorhersage für die miR-26 Familie ergab, dass unter anderem zahlreiche bekannte Komponenten des REST-Komplexes unter den Kandidatengenen sind. Für eines dieser vorhergesagten Zielgene, die sogenannte „C-terminal domain small phosphatase 2 (Ctdsp2)” wurde daraufhin gezeigt, dass seine Expression in der Tat durch die miR-26b inhibiert wird. Ctdsps sind wichtige Kofaktoren des REST-Komplexes und unterdrücken die Expression neuronaler Gene, indem die die C-terminale Domäne (CTD) der RNA Polymerase II dephosphorylieren und diese dadurch inaktivieren. In diesem Zusammenhang von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, dass die miR-26b in einem Intron des ctdsp2 Gens kodiert ist und mit ctdsp2 zusammen transkribiert wird. Folglich beeinflusst die miR-26b die Expression ihres eigenen „Host genes“ in einer Art autoregulativer Rückkopplungsschleife. Die beschriebene negative Regulation ist in neuronalen Stammzellen nicht aktiv, da dort die Biogenese der miR-26b auf Vorläuferebene angehalten wird. Reife miR-26b wird erst während der Neurogenese produziert, wo sie daraufhin die Expression von Ctdsp2 Protein verhindert. Während der neuronalen Zelldifferenzierung wird die miR-26b deutlich früher exprimiert als zum Beispiel die miR-124. Daher liegt es nahe eine Funktion der miR-26b während früher Prozesse in der Neurogenese anzunehmen. In Übereinstimmung mit dieser Annahme führt ein „Knockdown“ der miR-26b zu einer schwächeren Expression von neuronalen Genen, die unter der Kontrolle des REST-Komplex stehen. Weiterhin führt ein reduziertes Maß an miR-26b zu fehlerhafter oder gänzlich ausbleibender neuronaler Zelldifferenzierung. Dies konnte anhand einer verringerten Anzahl differenzierter spinaler Motorneuronen aufgezeigt werden. Die Vorläufer dieser Motorneuronen und Gliazellen waren hingegen vom miR-26b-„Knockdown“ nicht beeinflusst. Die hier präsentierte Studie zeigt erstmals in experimenteller Weise das Vorhandensein einer direkten Interaktion zwischen einer intronischen miRNA und ihrem eigenen Primärtranskript. Die negative Regulation der Ctdsp2 Expression in Neuronen wird erst dadurch möglich, dass die Biogenese der ctdsp2 mRNA und der reifen miR-26b durch einen posttranskriptionellen Mechanismus voneinander getrennt werden. Weiterhin legen die Daten aus dieser Studie nahe, dass die miR-26b in der Tat eine spezifische Funktion in der Entwicklung des ZNS von Vertebraten hat