Thomas Ziegenhals

• 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 ofFor 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.…
• 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 derFür 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.…