The interplay between microRNAs, neurotrophic factors, and signalling pathways in protecting dopamine neurons in Parkinson’s disease

Parkinson’s disease (PD) is a common neurodegenerative disorder, primarily characterized by the loss of dopamine neurons in a small, pigmented area in the midbrain called the substantia nigra and their projections to striatum. The loss of striatal innervation by dopamine neurons is the origin of typical PD motor symptoms, such as resting tremor, bradykinesia, rigidity, and postural instability. In addition, multiple non-motor symptoms were described in PD, including depression, sleep disorder, constipation, and dementia. Despite many years of research, current therapies offer only symptomatic relief, and their efficacy often decreases with disease progression. Therefore, additional therapeutic strategies for PD management are under rigorous investigation. microRNAs, small non-coding RNAs, are important post-transcriptional regulators of gene expression. It is estimated that expression of approximately 60% of protein-coding genes is regulated by microRNAs. Interest in the physiological and pathophysiological function of microRNAs originated from observations of abnormal expression of microRNAs in multiple cancerous cells. By now, disbalance in microRNA expression profiles was also reported in many other pathological conditions, including PD. To extend current knowledge, this study aimed to investigate the role of microRNAs in maintenance of dopamine neurons in health and disease, focusing on interplay of neurotrophic factors and signalling pathways. My study demonstrates that microRNA biogenesis is essential for dopamine neuronal maintenance and partial or full loss of the microRNA processing enzyme Dicer interferes with neuronal physiological function. Full ablation of Dicer results in progressive loss of dopamine neurons, accompanied by severe motor disability mimicking PD. In addition, pharmacological boosting of microRNA biogenesis by enoxacin promoted survival of primary dopamine neurons and protected them from endoplasmic reticulum (ER) stress-induced death in a dose-dependent manner. Although a general microRNA biosynthesis boosting was neuroprotective, we hypothesised that some individual microRNAs may have a detrimental effect via negative regulation of neurotrophic factors’ expression. microRNA regulation of neurotrophic factors BDNF and GDNF was previously reported. Here for the first-time the ability of individual microRNAs to affect expression of neurotrophic factors MANF and CDNF was demonstrated. In addition, it was shown that microRNA regulation of MANF and CDNF is human-specific and capable to interfere with their normal physiological function. Lastly, my research extended knowledge about the therapeutic potential of GDNF. Together with my colleagues, I showed that in addition to its well-known neuroprotective effect, GDNF is also able to alleviate aggregation of α-synuclein – the main histopathological marker of PD – via activation of Src and PKB/AKT1 pathways and their downstream signalling. Altogether, the findings of the current dissertation demonstrate that while microRNA biogenesis is crucial for neuronal maintenance and function, and general boosting of microRNA biogenesis promotes neuronal survival, increased levels of some individual microRNAs can be detrimental due to negative regulation of neurotrophic factor expression and their subsequent functions. I also demonstrate that neurotrophic factors have strong potential for PD treatment, supporting further development of therapies mimicking and/or boosting their neuroprotective effects.Parkinsonin tauti (PT) on yleinen hermorappeumasairaus, jolle on ensisijaisesti ominaista dopamiinihermosolujen kuoleminen pienellä pigmentoituneella alueella keskiaivossa, jota kutsutaan mustatumakkeeksi (Substantia nigra), ja niiden projektioiden tuhoutuminen aivojuoviossa. Dopamiinihermosolujen aivojuovion hermotuksen menetys aiheuttaa tyypillisiä PT-motorisia oireita, kuten lepovapinaa, liikkeiden hidastuminen, jäykkyyttä ja asennon epävakautta. Lisäksi PT:n taudinkuvaan kuuluu useita ei-motorisia oireita, kuten masennusta, unihäiriöitä, ummetusta ja dementiaa. Monien vuosien tutkimuksesta huolimatta nykyiset hoidot tarjoavat vain oireenmukaista helpotusta, ja niiden teho heikkenee usein taudin edetessä. Siksi PT-hoidon lisäterapeuttisia strategioita tutkitaan paljon. mikroRNA:t, pienet ei-koodaavat RNA:t, ovat tärkeitä transkription jälkeisiä geeni-ilmentymän säätelijöitä. On arvioitu, että noin 60 % proteiinia koodaavista geeneistä säätelevät mikroRNA:t. Kiinnostus mikroRNA:iden fysiologista ja patofysiologista toimintaa kohtaan sai alkunsa havainnoista mikroRNA:iden epänormaalista ilmentymisestä useissa syöpäsoluissa. Tähän mennessä epätasapainoa mikroRNA:n ilmentymisprofiileissa on raportoitu myös monissa muissa patologisissa tiloissa, mukaan lukien PT:ssä. Nykyisen tietämyksen laajentamiseksi tämän tutkimuksen tarkoituksena oli tutkia mikro-RNA:iden roolia dopamiinihermosolujen ylläpitämisessä terveessä tilassa ja sairauksissa keskittyen hermokasvutekijöiden ja signalointireittien vuorovaikutukseen. Tutkimukseni osoittaa, että mikroRNA:n biogeneesi on välttämätöntä dopamiinihermosolujen ylläpidolle ja, että mikroRNA:ta prosessoivan entsyymin Dicerin osittainen tai täydellinen menetys häiritsee hermosolujen fysiologista toimintaa. Dicerin täydellinen ablaatio johtaa dopamiinihermosolujen progressiiviseen häviämiseen, johon liittyy vakava motorinen vajaatoiminta, joka jäljittelee PT:tä. Lisäksi mikro-RNA:n biogeneesin farmakologinen tehostaminen enoksasiinilla edisti primaaristen dopamiinihermosolujen selviytymistä ja suojasi niitä solulimakalvoston stressin aiheuttamalta kuolemalta annoksesta riippuvaisella tavalla. Vaikka yleinen mikroRNA:n biosynteesin tehostaminen oli hermostoa suojaavaa, oletimme, että joillakin yksittäisillä mikroRNA:illa voi olla haitallinen vaikutus hermokasvutekijöiden ilmentymiseen negatiivisen säätelyn kautta. Hermokasvutekijöiden BDNF:n ja GDNF:n mikroRNA-säätely on raportoitu aiemmin. Tässä osoitettiin ensimmäistä kertaa yksittäisten mikroRNA:iden kyky vaikuttaa hermokasvutekijöiden MANF:n ja CDNF:n ilmentymiseen. Lisäksi osoitettiin, että MANF:n ja CDNF:n mikroRNA-säätely on ihmisspesifistä ja kykenee häiritsemään niiden normaalia fysiologista toimintaa. Lopuksi tutkimukseni laajensi tietoa GDNF:n terapeuttisista mahdollisuuksista. Yhdessä kollegoideni kanssa osoitin, että GDNF kykenee tunnetun hermostoa suojaavan vaikutuksensa lisäksi myös lievittämään α-synukleiinin – PT:n pääasiallisen histopatologisen markkerin – kertymistä aktivoimalla Src- ja PKB/AKT1-reittejä ja niiden alavirran signalointia. Kaiken kaikkiaan tämän väitöskirjan havainnot osoittavat, että vaikka mikroRNA-biogeneesi on ratkaisevan tärkeää hermosolujen ylläpidolle ja toiminnalle, ja yleinen mikroRNA-biogeneesin tehostaminen edistää hermosolujen eloonjäämistä, joidenkin yksittäisten mikroRNA:iden lisääntyneet tasot voivat olla haitallisia hermokasvutekijöiden ilmentymisen ja niiden ilmentymisen negatiivisen säätelyn vuoksi. Osoitan myös, että hermokasvutekijöillä on vahva potentiaali PT:n hoidossa, mikä tukee niiden hermosoluja suojaavia vaikutuksia matkivien ja/tai tehostavien hoitojen jatkokehitystä