TY  - THES
A1  - Ziegenhals, Thomas
T1  - The role of the miR-26 family in neurogenesis
T1  - Die Rolle der miR-26 Familie in der Neurogenese
N2  - For the differentiation of a embryonic stem cells (ESCs) to neuronal cells (NCs) a complex and coordinated gene regulation program is needed. One important control element for neuronal differentiation is the repressor element 1 silencing transcription factor (REST) complex, which represses neuronal gene expression in non-neuronal cells. Crucial effector proteins of the REST complex are small phosphatases such as the CTDSPs (C-terminal domain small phosphatases) that regulate polymerase II activity by dephosphorylating the C-terminal domain of the polymerase, thereby repressing target genes. The stepwise inactivation of REST, including the CTDSPs, leads to the induction of a neuron-specific gene program, which ultimately induces the formation of neurons. The spatio-temporal control of REST and its effector components is therefore a crucial step for neurogenesis. 
In zebrafish it was shown that the REST-associated CTDSP2 is negatively regulated by the micro RNA (miR) -26b. Interestingly, the miR-26b is encoded in an intron of the primary transcript of CTDSP2. This gives the fundament of an intrinsic regulatory negative feedback loop, which is essential for the proceeding of neurogenesis. This feedback loop is active during neurogenesis, but inactive in non-neuronal cells. The reason for this is that the maturation of the precursor miR (pre-miR) to the mature miR-26 is arrested in non neuronal cells, but not in neurons. As only mature miRs are actively repressing genes, the regulation of miR-26 processing is an essential step in neurogenesis.
In this study, the molecular basis of miR-26 processing regulation in the context of neurogenesis was addressed. The mature miR is processed from two larger precursors: First the primary transcript is cleaved by the enzyme DROSHA in the nucleus to form the pre-miR. The pre-miR is exported from the nucleus and processed further through the enzyme DICER to yield the mature miR. The mature miR can regulate gene expression in association with the RNA-induced silencing complex (RISC).
Multiple different scenarios in which miR processing was regulated were proposed and experimentally tested. Microinjection studies using Xenopus leavis oocytes showed that slowdown or blockage of the nucleo-cytoplasmic transport are not the reason for delayed pre-miR-26 processing. Moreover, in vitro and in vivo miR-processing assays showed that maturation is most likely regulated through a in trans acting factor, which blocks processing in non neuronal cells.
Through RNA affinity chromatographic assays using zebrafish and murine lysates I was able to isolate and identify proteins that interact specifically with pre-miR-26 and could by this influence its biogenesis. Potential candidates are FMRP/FXR1/2, ZNF346 and Eral1, whose functional characterisation in the context of miR-biogenesis could now be addressed. 

The second part of my thesis was executed in close colaboration with the laboratory of Prof. Albrecht Müller. The principal question was addressed how miR-26 influences neuronal gene expression and which genes are primarily affected. This research question could be addressed by using a cell culture model system, which mimics ex vivo the differentiation of ESCs to NCs via neuronal progenitor.
For the functional analysis of miR-26 knock out cell lines were generated by the CRISPR/Cas9 technology. miR-26 deficient ESC keep their pluripotent state and are able to develop NPC, but show major impairment in differentiating to NCs. Through RNA deep sequencing the miR-26 induced transcriptome differences could be analysed. 
On the level of mRNAs it could be shown, that the expression of neuronal gene is downregulated in miR-26 deficient NCs. Interestingly, the deletion of miR-26 leads to selectively decreased levels of miRs, which on one hand regulate the REST complex and on the other hand are under transcriptional control by REST themself. This data and the discovery that induction of miR-26 leads to enrichment of other REST regulating miRs indicates that miR-26 initiates neurogenesis through stepwise inactivation of the REST complex.
N2  - Für die Differenzierung von embryonalen Stammzellen (ESCs) zu Neuronen (NCs) bedarf es eines komplexen Genregulationsprogramms, welches sowohl zeitlich als auch räumlich reguliert werden muss. Ein wichtiger Faktor während der neuronalen Differenzierung ist der sogenannte „repressor element 1 silencing transcription factor“ (REST)-Komplex, welcher die Expression neuronaler Gene in nicht neuralen Zellen unterdrückt. Wichtige Effektorproteine im REST-Komplex sind kleine Phosphatasen (sog. CTDSPs), welche durch die Dephosphorylierung der C-terminalen Domäne der RNA-Polymerase II deren Aktivität an Zielgenen reprimiert. Die schrittweise Inaktivierung von REST, einschließlich der CTDSPs, führt hingegen zur Einleitung des neuronalen Genprogramms und damit zur Entwicklung von neuronalen Zellen. Die zeitliche Regulierung des REST-Komplexes und seiner assoziierten Effektor-Komponenten ist daher auf molekularer Ebene das entscheidende Ereignis in der Neurogenese. 
Studien in Zebrafisch haben gezeigt, dass die REST-assoziierte Phosphatase CTDSP2 von der micro-RNA (miR) -26b negativ reguliert wird, was zu einer reduzierten REST Aktivität führt. Interessanterweise liegt diese miR in einem Intron von CTDSP2, also dem Gen, welches sie selbst repremiert. Diese Konstellation stellt die Basis für eine intrinsische negative Rückkopplungsschleife dar und ist essentiell für das Voranschreiten der Neurogenese. Diese Schleife ist aktiv während der Neurogenese, jedoch inaktiv in neuronalen Stammzellen. Der Grund hierfür ist, dass die Reifung der miR-26b auf der Stufe der Prozessierung des miR-Vorläufers (pre-miR) zur reifen miR in Stammzellen, nicht aber in Neuronen, angehalten ist. Da nur reife miR funktionell aktiv sein können, ist die Regulation der miR-26 Reifung ein essentieller Schritt im Rahmen der Neurogenese. 
In dieser Dissertation sollte der Frage nach der molekularen Basis der regulierten Prozessierung der miR-26 im Rahmen der Neurogenese nachgegangen werden. Die Prozessierung von miR erfolgt über zwei Intermediate: Zunächst wird aus dem primären Transkript im Zellkern die pre-miR durch das Enzym DROSHA gebildet. Diese wird dann aus dem Kern exportiert und durch das Enzym DICER zur reifen miR weiterverarbeitet, die im Kontext des „RNA-Induced Silencing Complex“ (RISC) die post-transkriptionale Genexpression reguliert. 
Mirkoinjektionsstudien an Xenopus leavis Oocyten zeigten, dass eine Verlangsamung bzw. Blockade des nukleo-zytoplasmatischen Transports nicht Ursache für die verzögerte Prozessierung der pre-miR-26 sein kann. Stattdessen haben in vitro und in vivo Prozessierungsexperimente gezeigt, dass die Reifung der miR-26 sehr wahrscheinlich durch einen in trans agierenden Faktor gesteuert wird, der die Prozessierung in nicht-neuronalen Zellen blockiert. 
Durch RNA affinitätschromatographische Versuche gelang es, Proteine aus Maus- und Zebrafischlysaten zu isolieren und diese zu identifizieren, die spezifisch mit der pre-miR-26b interagieren und deren Biogenese beeinflussen könnten. Vielversprechende Kandidaten sind die Proteine FMRP/FXR1/2, ZNF346 und Eral1, deren funktionelle Charakterisierung im Kontext der miR-Biogenese nun möglich ist. 

In einer Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Albrecht Müller wurde im zweiten Teil der Arbeit der prinzipiellen Frage nachgegangen, wie die miR-26 die neuronale Genexpression steuert und welche Gene hiervon primär betroffen sind. Diese Untersuchungen wurden durch die Etablierung eines Zellkultur-Protokolls ermöglicht, welches ex vivo die Differenzierung von ESC über neuronal Vorläufer Zellen (NPC) zu NCs erlaubte und so eine systematische Analyse dieses Prozess erlaubte.
Für die Funktionsanalyse von miR-26 wurden über die CRISPR/Cas9 Technologie Zelllinien hergestellt, welche keine miR-26 mehr im Genom haben. miR-26 defiziente ESCs behalten ihren pluripotenten Status und ließen sich zu NPCs entwickeln.  Die Weiterentwicklung von NPCs zu NCs war hingegen massiv eingeschränkt. Durch RNA Hochdurchsatzsequenzierung gelang es die miR-26 induzierten Genexpressionsunterschiede geanu zu identifizieren. 
Auf der Ebene der mRNA konnte gezeigt werden, dass die Expression von neuronalen Genen in miR-26 defizienten NCs herunterreguliert ist und dass unter diesen Bedingungen offensichtlich kein anderer Differenzierungsweg eingeschlagen werden konnte. Interessanterweise führte die Deletion von miR-26 zu einer selektiven Verminderung von miRs, die einerseits den REST Komplex regulieren, andererseits aber auch  unter dessen transkriptionaler Kontrolle stehen. Diese Daten und die Entdeckung, dass die Induktion von miR-26 zur Anreicherung anderer REST regulierender miRs führt, lässt vermuten, dass miR-26 die Neurogenese durch die schrittweise Inaktivierung des REST Komplexe initiiert.
KW  - miRNS
KW  - Neurogenese
KW  - miR-26
KW  - REST-Complex
KW  - miRNA Biogenesis
KW  - microrna
KW  - neurogenesis
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-156395
ER  - 
TY  - THES
A1  - Chowdhury, Suvagata Roy
T1  - The Role of MicroRNAs in \(Chlamydia\) Infection
T1  - Die Rolle von MicroRNAs in der Chlamydien-Infektion
N2  - The obligate intracellular pathogen Chlamydia trachomatis is the causative agent of
trachoma related blindness and the sexually transmitted pelvic inflammatory disease.
Being an obligate intracellular pathogen, C. trachomatis has an intricate dependency
on the survival of the host cell. This relationship is indispensible owing to the fact that
the pathogen spends a considerable fraction of its biphasic lifecycle within a
cytoplasmic vacuole inside the host cell, the so-called chlamydial inclusion. The
cellular apoptotic-signalling network is governed by several finely tuned regulatory
cascades composed of pro- and anti-apoptotic proteins that respond to changes in
the cellular homeostasis. In order to facilitate its intracellular survival, Chlamydia has
been known to inhibit the premature apoptosis of the host cell via the stabilization of
several host anti-apoptotic proteins such as cIAP2 and Mcl-1. While the pro- and
anti-apoptotic proteins are the major regulators of the host apoptotic signalling
network, a class of the small non-coding RNAs called microRNAs (miRNAs) has
increasingly gained focus as a new level of regulatory control over apoptosis.
This work investigates the changes in the host miRNA expression profile post
Chlamydia infection using a high throughput miRNA deep sequencing approach.
Several miRNAs previously associated with the modulation for apoptotic signalling
were differentially expressed upon Chlamydia infection in human endothelial cells. Of
the differentially regulated miRNAs, miR-30c-5p was of particular interest since it had
been previously shown to target the tumor suppressor protein p53. Our lab and
others have previously demonstrated that Chlamydia can downregulate the levels of
p53 by promoting its proteasomal degradation. This work demonstrates that
Chlamydia infection promotes p53 downregulation by increasing the abundance of
miR-30c-5p and a successful infection cycle is hindered by a loss of miR-30c-5p.
Over the last decade, dedicated research aimed towards a better understanding of
apoptotic stimuli has greatly improved our grasp on the subject. While extrinsic
stress, deprivation of survival signals and DNA damage are regarded as major
proponents of apoptotic induction, a significant responsibility lies with the
mitochondrial network of the cell. Mitochondrial function and dynamics are crucial to
cell fate determination and dysregulation of either is decisive for cell survival and
pathogenesis of several diseases. The ability of the mitochondrial network to perform
its essential tasks that include ATP synthesis, anti-oxidant defense, and calcium
homeostasis amongst numerous other processes critical to cellular equilibrium is tied
closely to the fission and fusion of individual mitochondrial fragments. It is, thus,
8
unsurprising that mitochondrial dynamics is closely linked to apoptosis. In fact, many
of the proteins involved regulation of mitochondrial dynamics are also involved in
apoptotic signalling. The mitochondrial fission regulator, Drp1 has previously been
shown to be transcriptionally regulated by p53 and is negatively affected by a miR-
30c mediated inhibition of p53. Our investigation reveals a significant alteration in the
mitochondrial dynamics of Chlamydia infected cells affected by the loss of Drp1. We
show that loss of Drp1 upon chlamydial infection is mediated by the miR-30c-5p
induced depletion of p53 and results in a hyper-fused architecture of the
mitochondrial network.
While it is widely accepted that Chlamydia depends on the host cell metabolism for
its intracellular growth and development, the role of mitochondria in an infected cell,
particularly with respect to its dynamic nature, has not been thoroughly investigated.
This work attempts to illustrate the dependence of Chlamydia on miR-30c-5p induced
changes in the mitochondrial architecture and highlight the importance of these
modulations for chlamydial growth and development.
N2  - Das Gram-negative Humanpathogen Chlamydia trachomatis versursacht das Trachom, eine ansteckende follikuläre Bindehautentzündung, die letztlich zur Erblindung Infizierter führt, sowie sexuell übertragbare Entzündungen im Urogenitaltrakt. C. trachomatis ist ein obligat intrazelluläres Bakterium mit einem biphasischen Lebenszyklus, der in einer spezialisierten  Vakuole innerhalb des Wirtszellzytoplasmas   durchlaufen   wird,   der   sogenannten   Chlamydien-Inklusion.
C. trachomatis ist daher davon abhängig, dass die infizierte Wirtszelle überlebt, bis die Entwicklung des Erregers abgeschlossen ist und moduliert dazu das apoptotische Signalnetzwerk der Wirtszelle. Dieses besteht aus mehreren fein aufeinander abgestimmten regulatorischen Kaskaden aus pro- und  anti- apoptotischen Proteinen, die normalerweise auf Veränderungen in der zellulären Homöostase reagieren und als Folge den programmierten Zelltod einleiten können. Es ist jedoch bekannt, dass Chlamydia die Apoptose der Wirtszelle  durch Stabilisierung mehrerer anti-apoptotischer Wirtsproteine wie  cIAP2  und  Mcl-1 inhibiert. Während pro- und anti-apoptotische Proteine Hauptregulatoren des Apoptosesignalnetzwerks darstellen, wurde kürzlich eine neue Ebene der Apoptose- Regulation identifiziert, die durch kleine, nicht-kodierende microRNAs (miRNAs) gesteuert wird.
In der vorliegenden Arbeit untersuchte ich die Veränderungen in dem miRNA Expressionsprofil von Wirtszellen nach einer Chlamydieninfektion.  Mittels  miRNA deep sequencing wurden dabei mehrere miRNAs identifiziert, die abhängig von der Infektion mit Chlamydia  differentiell  in  menschlichen  Endothelzellen  exprimiert werden und deren Funktion mit der Modulation der Apoptose-Signalwege assoziiert sind. Dabei war miR-30c-5p von besonderem Interesse, da deren molekulares target das Tumorsuppressorprotein p53 ist. Unter anderem durch unser Labor wurde dabei bereits gezeigt, dass Chlamydia den Proteasom-vermittelten Abbau von p53 fördert und somit die Menge des Proteins in der Wirtszelle depletieren kann. In der hier vorliegenden Arbeit zeige ich darüberhinaus, dass eine Chlamydia-Infektion die p53 Mengen in den Wirtszellen senkt, indem miR-30c-5p verstärkt produziert wird, während das intrazelluläre Wachstum von C. trachomatis durch den Verlust von miR- 30c-5p inhibiert wird.
Zusammen mit den apoptotischen Regulationskaskaden  entscheiden  auch  die Integrität der Mitochondrien sowie die Dynamik des mitochondrialen Netzwerks über das  Schicksal  der  Zelle.  Eine  Dysregulation  dieser  Funktionen  führt  zur  Einleitung
 
des Zelltods  und bildet die Grundlage der Pathogenese mehrerer Krankheiten. Zu den wesentlichen Aufgaben des mitochondrialen Netzwerkes gehören, neben zahlreichen anderen, die Synthese von ATP, die Detoxifizierung von reaktiven Sauerstoff-Spezies sowie die Kalziumhomöostase. Die funktionelle Integrität des mitochondrialen Netzwerks ist dabei stark von Teilungs- und Fusionsraten mitochondrialer Fragmente abhängig und diese mitochondriale Dynamik  ist wiederum eng mit der Apoptose verknüpft; so sind etwa viele Proteine, welche die mitochondriale Dynamik regulieren, auch an  der  apoptotischen  Signalgebung beteiligt. Zum Beispiel wird die Transkription des an der Mitochondrienteilung beteiligten Proteins Drp1 durch p53 reguliert und eine miR-30c-vermittelte Inhibition von p53 senkt daher die Menge an Drp1 in der Zelle.
In der hier vorliegenden Arbeit demonstriere ich die signifikante Veränderung der mitochondrialen Dynamik in  menschlichen  Zellen  nach  einer  Chlamydieninfektion. Die entstehende hyperkondensierte Architektur des mitochondrialen Netzwerks  ist dabei auf den Verlust von Drp1 zurückzuführen, welcher durch die miR-30c-5p- induzierte Depletion von p53 vermittelt wird. Während die Abhängigkeit des intrazellulären Wachstums  von  Chlamydia  vom  Stoffwechsel   der  Wirtszelle weitgegen akzeptiert ist, wurde die Rolle der Mitochondrien und die Dynamik des mitochondrialen Netzwerks in infizierten Zellen bisher vernachlässigt. Innerhalb der vorliegenden Arbeit wurde zum ersten Mal die Abhängigkeit von Chlamydia auf miR- 30c-5p induzierte Veränderungen in der mitochondrialen Architektur illustriert.
KW  - Chlamydia
KW  - MicroRNAs
KW  - Mitochondria
KW  - Microscopy
KW  - Chlamydienkrankheit
KW  - miRNS
KW  - Mitochondrium
KW  - Mikroskopie
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-155866
ER  -