The Role of miRNA in Neurogenesis and Cell Specification

Abstract

Only a few decades ago, it was generally believed that gene expression was controlled in a unidirectional

way, i.e. DNA was transcribed into RNA, which simply acted as a messenger molecule used to produce the protein that executed cellular functions. It was not until the 1970-80’s that RNA interference was proclaimed as a gene regulatory process, and now it is increasingly evident that non-coding RNA has a large impact on regulating and fine-tuning gene expression. microRNA (miRNA) constitute one of the largest classes of non-coding RNA. They are endogenously expressed, 19-23 nucleotides long and act by inhibiting or degrading mRNA. miRNA control vital cellular and biologic processes, and importantly for the work in this thesis, they are implicated in regulating neuronal development

and neurogenesis. Neurogenesis, the generation of new neurons, is primarily restricted to two niches of the adult brain. The molecular knowledge of how adult neurogenesis is regulated, and how different cell types are specified, is of great importance to understand how the brain functions in health and disease. In my thesis, I have been studying the involvement of miRNA in adult neurogenesis

and in cell type specification.



Using transgenic miRNA sensor mice, I have investigated the activity of three different miRNA expressed in the brain; miR-124, miR-9 and miR-125. The analyses of the sensor mice have revealed new information about the expression of these miRNA in the brain, presented in papers I-III.



In the first study, we demonstrated that miR-124 is a neuronal fate determinant in the postnatal subventricular zone, balancing neurogenesis and gliogenesis. In the second study, we found that miR-9 is specifically absent from resident microglia in the brain, and that miR-9-regulated vectors can be used to visualise and isolate this cell type. In the third study, we showed that miR-125 is expressed in most cells of the brain, except for the interneurons in the olfactory bulb that are generated during development, suggesting that absence of an otherwise broadly expressed miRNA is a mechanism to achieve neuronal subtype specification.



Thus, I have used novel tools and techniques to study the activity of miRNA in the brain and to modulate the expression of individual miRNA in different cell types. I provide new insights into the important roles of miRNA in neurogenesis and in cell specification.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Försök att föreställa dig något som är så litet att det inte går att se i ett mikroskop, något som är betydligt mindre än både DNA och protein. Det är sådana molekyler jag har jobbat med i mitt avhandlingsarbete. Dessa små molekyler kallas mikroRNA och finns i alla celler och har betydelse för hur en cell uppför sig. De kan till exempel styra bildandet av nya nervceller i hjärnan.



Från arvsmassan, eller DNA, bildas proteiner. Proteiner är cellens byggstenar, och beroende på vilka proteiner som finns i en cell bildas olika celltyper med olika funktioner. DNA fungerar som en ritning och när ett protein ska bildas skrivs informationen av till en mRNA-molekyl, RNA är alltså ett mellansteg i bildandet av proteiner. mikroRNA är ungefär som korta RNA-molekyler. Förutom att mikroRNA är mindre kan mikroRNA inte kan bilda protein utan de fungerar istället genom att sätta sig i vägen på ett annat mRNA när ett protein håller på att bildas. På så sätt förhindrar de proteinets uppkomst. Dessa små mikroRNA bestämmer alltså över cellens öde genom att avgöra vilka proteiner som ska finnas i cellen. Det finns över tvåtusen mikroRNA i den mänskliga arvsmassan och varje mikroRNA kan kontrollera flera hundra proteiner. Jag har studerat mikroRNA i hjärnan och dess roll i nervceller och nybildandet av nervceller.



Tidigare trodde forskarna inte att nya nervceller kunde bildas i hjärnan, utan att de nervceller vi föddes med var de vi fick klara oss med resen av livet. Nu vet vi att det finns hjärnstamceller som till en viss utsträckning kontinuerligt bildar nya celler. Detta var en intressant upptäckt eftersom stamceller

har stor potential i behandling av vissa sjukdomar. Till skillnad från vanliga nervceller i hjärnan kan hjärnstamcellen dela sig och bilda antingen nya nervceller eller stödceller, så kallade gliaceller. I den första studien, Artikel I, har vi hittat ett mikroRNA, miR-124, som ensamt kan bestämma om stamcellen ska bli en nervcell eller en gliacell.



Det har tidigare varit svårt att studera i vilka celler och när under utvecklingen ett specifikt mikroRNA

är aktivt, delvis eftersom de är så små och så många. För att komma runt detta problem har vi utvecklat en ny teknik. Ett omgjort, oskadliggjort virus har byggts för detta syfte där DNAt i viruset lätt kan bytas ut och virusets egenskaper gör att det kan infektera en cell. När viruset infekterar cellen med det DNA vi laddat det med kommer cellen att börja uttrycka den nya arvsmassan. Vi har designat virusDNAt att innehålla ett grönfluorescerande protein som är kopplat till bindningsställen för det specifika mikroRNA vi vill studera. Det innebär att vårt mikroRNA binder till bindningsstället och förhindrar att det grönfluorescerande proteinet bildas, förutsatt att mikroRNAt finns i cellen. Genom att lysa på cellerna med ljus kan vi i ett mikroskop se om de är gröna och på så vis bestämma om mikroRNAt

finns i cellen eller inte. Om vi dessutom låter viruset infektera befruktade ägg, i vårt fall från möss, kommer viruset finnas i alla celler i hela den vuxna musen och vi kan studera alla celler under olika tidpunkter. Genom att titta på förekomsten av gröna celler i hjärnan kan vi ta reda på exakt var vårt mikroRNA finns och är aktivt.



För att förstå mer om hur mikroRNAt fungerar har vi antingen stoppat in överdrivet mycket av vårt mikroRNA i stamcellerna eller tagit bort det mikroRNA vi vill undersöka från dessa celler. På detta sätt har vi kommit fram till att utan miR-124 bildas inga nervceller utan istället gliaceller. Men varför är detta viktigt? Om det vore känt exakt hur nya nervceller bildades i den vuxna hjärnan skulle detta kunna användas att styra produktion av nya nervceller vid till exempel stroke eller Parkinsons sjukdom. På så vis skulle vi kunna få hjärnan att läka svåra och idag obotliga sjukdomar.



Jag har även studerat två andra mikroRNA, miR-9 och miR-125 med hjälp av samma tekniker. I Artikel II har vi visat att miR-9 är ett mikroRNA som finns i de allra flesta hjärnceller, förutom i mikroglia. Mikroglia är hjärnans viktiga immunförsvarsceller som städar upp rester av vissa ämnen i hjärnvävnaden. Det har tidigare varit svårt att specifikt studera mikroglia, men vi har visat att man kan utnyttja att det bara är denna celltyp som inte har miR-9 för att kunna studera dem mer i detalj. Därför föreslår vi att miR-9 används som ett verktyg för framtida studier av mikroglia.



miR-125 är ett mikroRNA som finns i hela hjärnan förutom i vissa nervceller i den så kallade luktbulben, som är det område i hjärnan som tar emot luktsignaler. Detta har vi visat i Artikel III. Vissa nervceller i luktbulben har miR-125, andra har det inte, och i denna studie har vi undersökt vad skillnaden mellan dessa celler är. Det har visat sig att de nervceller som inte har miR-125 bildas under utvecklingen. Det som gör dessa celler unika är att de lättare blir stimulerade av luktstimuli samt att de har fler nervutväxter. Detta är viktigt för att förstå de olika funktionerna hos de olika typerna av nervceller som finns i luktbulben.



I denna avhandling visar jag att vissa mikroRNA har ett stort inflytande på stamceller samt kan specificera olika celltyper i hjärnan. Våra nya upptäckter ger oss en liten, men nog så viktig, pusselbit i hur nervceller bildas och specificeras i hjärnan. Så sist, men faktiskt inte minst, störst går inte alltid först.

• author: Åkerblom, Malin
• supervisor: Johan Jakobsson; Malin Parmar; Anders Björklund
• opponent: Professor Jessberger, Sebastian, Laboratory of Neural Plasticity, University of Zurich, Switzerland
• organization: Molecular Neurogenetics (research group); MultiPark: Multidisciplinary research focused on Parkinson´s disease
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurosciences
• keywords: miRNA, microRNA, miR-124, miR-9, miR-125, adult neurogenesis, neural stem cells, cell specification, microglia, lentiviral vectors, olfactory bulb, olfactory bulb interneurons
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2014:44
• pages: 137 pages
• defense location: Segerfalksalen, BMC A11, Lund
• defense date: 2014-04-25 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87651-69-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: b7d8b7e1-0a06-46ff-b795-b29ba9445379 (old id 4378704)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:38:11
• date last changed: 2020-09-17 08:41:27