Molekulare Mechanismen und funktionelle Konsequenzen der Regulation von miR-128 während der Entwicklung des zentralen Nervensystems.

• Antragsteller: Dr. F. Gregory Wulczyn
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsneurobiologie ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 255046332

Es konnten bereits große Fortschritte erzielt werden bei der Erforschung einzelner miRNAs und ihrer Funktion in der Regulation von Neurogenese und Differenzierung bis hin zur Ausbildung von Synapsen und deren Verschaltung. Der Fokus unserer Arbeit liegt auf miRNA-128, einer neuronenspezifischen miRNA sowie ihrer Funktion in neuronaler Migration, intrinsischer Erregbarkeit und Ausbildung von Dendriten. Säugetiere besitzen zwei verschiedene miR-128 Vorläuferformen, miR-128-1 und miR-128-2. Diese werden von zwei unterschiedlichen Genloci innerhalb der homologen Wirtsgene R3hdm1 und Arpp21 exprimiert. R3hdm1 und Arpp21 kodieren für konservierte, putative RNA-bindende Proteine.Wir konnten mittels iCLIP zeigen, dass ARPP21 mit hoher Spezifizität uridinreiche Motive in der 3-Strich UTR von mRNAs bindet und deren Translation und Stabilität erhöht. Die bioinformatische Analyse von ARPP21 Bindestellen zeigte eine signifikante Überschneidung zwischen Zielgenen von ARPP21 und miR-128. Koregulierte mRNAs sind signifikant angereichert im Signalweg für mRNA-Qualitätskontrolle sowie der TGF-beta- und Neurotrophin-Signaltransduktion.Diese Ergebnisse führen zu dem überraschenden Modell, dass ein einzelnes Gen zugleich einen post-transkriptionellen Repressor (miR-128) und einen Aktivator (ARPP21) kodiert, die jeweils entgegengesetzt auf gebundene mRNAs einwirken. Um die biologische Relevanz dieser antagonistischen Funktionen zu untersuchen, wurde die Expression von miR-128 und ARPP21 während der Kortexentwicklung in vivo manipuliert. Hierbei führte ektopisches ARPP21 zu einer größeren Komplexität des Dendritenbaums. ARPP21-Knock-Down hingegen resultierte in Neuronen mit weniger verzweigten Dendriten und spiegelt damit den miR-128-Überexpressionsphänotyp wieder.Basierend auf dieser Arbeit, schlagen wir ein Forschungsprogramm vor, das die zugrundeliegenden molekularen und zellulären Eigenschaften dieses neuen regulatorischen Signalwegs und seine Rolle bei der kortikalen Entwicklung aufklärt.Aufgrund der Funktion von miR-128 in neuronaler Erregbarkeit, werden wir zunächst analysieren, wie die Balance zwischen ARPP21 und miR-128 in Neuronen kontrolliert wird. Die Etablierung der iCLIP Methode in unserem Labor ermöglicht uns, die physiologischen Auswirkungen von ARPP21-RNA-Bindung in primären Neuronen und im Gehirn zu untersuchen. Zusätzlich zum iCLIP werden wir hierfür Ribosomal-Profiling einsetzen. Des Weiteren werden wir die iCLIP-Profile verwenden, um funktionelle Interaktionen zwischen ARPP21 und anderen RNA-bindenden Proteinen im Prozess der miRNA-gesteuerten Genregulierung zu identifizieren. Um potentielle koregulatorische Mechanismen zwischen ARPP21 und weiteren neuronalen miRNAs aufzudecken, werden wir den jeweiligen miRNA-Lokus mittels CrispR-Cas9 editieren.Durch die Charakterisierung der Interaktion von ARPP21 mit neuronalen miRNAs erhoffen wir neue Mechanismen und Signalwege zu identifizieren, die das Verständnis über Kortexentwicklung erweitern.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1738: Neue Funktionen von nicht kodierenden Ribonukleinsäuren während der Entwicklung, Plastizität und Erkrankung des Nervensystems