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mRNA is co- or post-transcriptionally processed from a precursor mRNA to a mature mRNA. In addition to 5'capping and splicing, these modifications also include polyadenylation, the addition of a polyA tail to the 3'end of the mRNA. In recent years, alternative polyadenylation in particular has increasingly been taken into account as a mechanism for regulating gene expression. It is assumed that approximately 70-75 % of human protein coding genes contain alternative polyadenylation signals, which are often located within intronic sequences of protein-coding genes. The use of such polyadenylation signals leads to shortened mRNA transcripts and thus to the generation of C-terminal shortened protein isoforms.
Interestingly, the majority of microRNAs, small non-coding RNAs that play an essential role in post-transcriptional gene regulation, are also encoded in intronic sequences of protein-coding genes and are co-transcriptionally expressed with their host genes. The biogenesis of microRNA has been well studied and is well known, but mechanisms that may influence the expression regulation of mature microRNAs are just poorly understood.
In the presented work, I aimed to investigate the influence of alternative intronic polyadenylation on the biogenesis of microRNAs. The human ion channel TRPM1 could already be associated with melanoma pathogenesis and truncated isoforms of this protein have already been described in literature. In addition, TRPM1 harbors a microRNA, miR211, in its sixth intron, which is assumed to act as a tumor suppressor. Since both, TRPM1 and miR211 have already been associated with melanoma pathogenesis, the shift towards truncated transcripts during the development of various cancers is already known and it has been shown that certain microRNAs play a crucial role in the development and progression of melanoma, melanoma cell lines were used as an in vitro model for these investigations.
Alveolar (AE) and cystic (CE) echinococcosis are two parasitic diseases caused by the tapeworms Echinococcus multilocularis and E. granulosus sensu lato (s. l.), respectively. Currently, AE and CE are mainly diagnosed by means of imaging techniques, serology, and clinical and epidemiological data. However, no viability markers that indicate parasite state during infection are available. Extracellular small RNAs (sRNAs) are short non-coding RNAs that can be secreted by cells through association with extracellular vesicles, proteins, or lipoproteins. Circulating sRNAs can show altered expression in pathological states; hence, they are intensively studied as biomarkers for several diseases. Here, we profiled the sRNA transcriptomes of AE and CE patients to identify novel biomarkers to aid in medical decisions when current diagnostic procedures are inconclusive. For this, endogenous and parasitic sRNAs were analyzed by sRNA sequencing in serum from disease negative, positive, and treated patients and patients harboring a non-parasitic lesion. Consequently, 20 differentially expressed sRNAs associated with AE, CE, and/or non-parasitic lesion were identified. Our results represent an in-depth characterization of the effect E. multilocularis and E. granulosus s. l. exert on the extracellular sRNA landscape in human infections and provide a set of novel candidate biomarkers for both AE and CE detection.
Fibromyalgia syndrome (FMS) is a heterogeneous chronic pain syndrome characterized by musculoskeletal pain and other key co-morbidities including fatigue and a depressed mood. FMS involves altered functioning of the central and peripheral nervous system (CNS, PNS) and immune system, but the specific molecular pathophysiology remains unclear. Anti-cholinergic treatment is effective in FMS patient subgroups, and cholinergic signaling is a strong modulator of CNS and PNS immune processes. Therefore, we used whole blood small RNA-sequencing of female FMS patients and healthy controls to profile microRNA regulators of cholinergic transcripts (CholinomiRs). We compared microRNA profiles with those from Parkinson's disease (PD) patients with pain as disease controls. We validated the sequencing results with quantitative real-time PCR (qRT-PCR) and identified cholinergic targets. Further, we measured serum cholinesterase activity in FMS patients and healthy controls. Small RNA-sequencing revealed FMS-specific changes in 19 CholinomiRs compared to healthy controls and PD patients. qRT-PCR validated miR-182-5p upregulation, distinguishing FMS patients from healthy controls. mRNA targets of CholinomiRs bone morphogenic protein receptor 2 and interleukin 6 signal transducer were downregulated. Serum acetylcholinesterase levels and cholinesterase activity in FMS patients were unchanged. Our findings identified an FMS-specific CholinomiR signature in whole blood, modulating immune-related gene expression.
Diabetes mellitus is a common disease affecting more than 537 million adults worldwide. The microvascular complications that occur during the course of the disease are widespread and affect a variety of organ systems in the body. Diabetic retinopathy is one of the most common long-term complications, which include, amongst others, endothelial dysfunction, and thus, alterations in the blood-retinal barrier (BRB). This particularly restrictive physiological barrier is important for maintaining the neuroretina as a privileged site in the body by controlling the inflow and outflow of fluid, nutrients, metabolic end products, ions, and proteins. In addition, people with diabetic retinopathy (DR) have been shown to be at increased risk for systemic vascular complications, including subclinical and clinical stroke, coronary heart disease, heart failure, and nephropathy. DR is, therefore, considered an independent predictor of heart failure. In the present review, the effects of diabetes on the retina, heart, and kidneys are described. In addition, a putative common microRNA signature in diabetic retinopathy, nephropathy, and heart failure is discussed, which may be used in the future as a biomarker to better monitor disease progression. Finally, the use of miRNA, targeted neurotrophin delivery, and nanoparticles as novel therapeutic strategies is highlighted.
Brain metastases are the most severe tumorous spread during breast cancer disease. They are associated with a limited quality of life and a very poor overall survival. A subtype of extracellular vesicles, exosomes, are sequestered by all kinds of cells, including tumor cells, and play a role in cell-cell communication. Exosomes contain, among others, microRNAs (miRs). Exosomes can be taken up by other cells in the body, and their active molecules can affect the cellular process in target cells. Tumor-secreted exosomes can affect the integrity of the blood-brain barrier (BBB) and have an impact on brain metastases forming. Serum samples from healthy donors, breast cancer patients with primary tumors, or with brain, bone, or visceral metastases were used to isolate exosomes and exosomal miRs. Exosomes expressed exosomal markers CD63 and CD9, and their amount did not vary significantly between groups, as shown by Western blot and ELISA. The selected 48 miRs were detected using real-time PCR. Area under the receiver-operating characteristic curve (AUC) was used to evaluate the diagnostic accuracy. We identified two miRs with the potential to serve as prognostic markers for brain metastases. Hsa-miR-576-3p was significantly upregulated, and hsa-miR-130a-3p was significantly downregulated in exosomes from breast cancer patients with cerebral metastases with AUC: 0.705 and 0.699, respectively. Furthermore, correlation of miR levels with tumor markers revealed that hsa-miR-340-5p levels were significantly correlated with the percentage of Ki67-positive tumor cells, while hsa-miR-342-3p levels were inversely correlated with tumor staging. Analysis of the expression levels of miRs in serum exosomes from breast cancer patients has the potential to identify new, non-invasive, blood-borne prognostic molecular markers to predict the potential for brain metastasis in breast cancer. Additional functional analyzes and careful validation of the identified markers are required before their potential future diagnostic use.
The blood-brain barrier (BBB) is a highly specialized structure that separates the brain from the blood and allows the exchange of molecules between these two compartments through selective channels. The breakdown of the BBB is implicated in the development of severe neurological diseases, especially stroke and traumatic brain injury. Oxygen-glucose deprivation is used to mimic stroke and traumatic brain injury in vitro. Pathways that trigger BBB dysfunction include an imbalance of oxidative stress, excitotoxicity, iron metabolism, cytokine release, cell injury, and cell death. MicroRNAs are small non-coding RNA molecules that regulate gene expression and are emerging as biomarkers for the diagnosis of central nervous system (CNS) injuries. In this review, the regulatory role of potential microRNA biomarkers and related therapeutic targets on the BBB is discussed. A thorough understanding of the potential role of various cellular and linker proteins, among others, in the BBB will open further therapeutic options for the treatment of neurological diseases.
Both nerve injury and complex regional pain syndrome (CRPS) can result in chronic pain. In traumatic neuropathy, the blood nerve barrier (BNB) shielding the nerve is impaired—partly due to dysregulated microRNAs (miRNAs). Upregulation of microRNA-21-5p (miR-21) has previously been documented in neuropathic pain, predominantly due to its proinflammatory features. However, little is known about other functions. Here, we characterized miR-21 in neuropathic pain and its impact on the BNB in a human-murine back translational approach. MiR-21 expression was elevated in plasma of patients with CRPS as well as in nerves of mice after transient and persistent nerve injury. Mice presented with BNB leakage, as well as loss of claudin-1 in both injured and spared nerves. Moreover, the putative miR-21 target RECK was decreased and downstream Mmp9 upregulated, as was Tgfb. In vitro experiments in human epithelial cells confirmed a downregulation of CLDN1 by miR-21 mimics via inhibition of the RECK/MMP9 pathway but not TGFB. Perineurial miR-21 mimic application in mice elicited mechanical hypersensitivity, while local inhibition of miR-21 after nerve injury reversed it. In summary, the data support a novel role for miR-21, independent of prior inflammation, in elicitation of pain and impairment of the BNB via RECK/MMP9.
CRPS ist eine anhaltende Schmerzerkrankung, die nach Verletzungen auftritt und mit einer variierenden Kombination von Symptomen aus den Bereichen Sensorik, Vasomotorik, Sudomotorik/Ödemen und Motorik verbunden ist. Die Physiologie des Krankheitsbildes ist nicht abschließend geklärt, allerdings wird eine komplexe Interaktion mehrerer Pathomechanismen als Ursache angenommen. Deshalb stellt das CRPS sowohl eine diagnostische als auch eine therapeutische Herausforderung dar. miRNAs sind kurze, einsträngige und nicht-codierende RNAs, die durch Inhibierung der Translation und Degradierung von mRNAs an der posttranskriptionellen Regulation der Genexpression beteiligt sind. Sie werden auch von den Zellen durch Exosomen, Mikrovesikel, Lipoproteine und Apoptose freigesetzt, sodass sie in unterschiedlichen Körperflüssigkeiten nachgewiesen werden können. Bei vielen Erkrankungen kann eine Dysregulation der miRNA-Expression festgestellt werden, weshalb großes Interesse daran besteht, sie als Biomarker oder für therapeutische Ansätze nutzbar zu machen. Die miRNAs miR-183, -21, -29b, -144, - 223 wurden bereits im Zusammenhang mit entzündlichen und neuropathischen Prozessen und der Dysruption von Immunobarrieren beschrieben. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob bei der Expression dieser miRNAs im Blut von CRPS-Patienten, Patienten mit einem komplikationslosen posttraumatischen Heilungsverlauf und von Kontrollen ohne ein vorangegangenes Trauma Unterschiede bestehen. Die Messungen erfolgten im Plasma, in Leukozyten und Exosomen, um dadurch auch die Regulation in den einzelnen Blutkomponenten vergleichen zu können. Tatsächlich fanden sich unterschiedliche miRNA-Expressionsprofile bei den verschiedenen Biomaterialien. Außerdem konnte bei einzelnen miRNAs ein Einfluss von Alter und Geschlecht auf die Expression nachgewiesen werden. Diese Beeinflussung war darüber hinaus auch abhängig vom untersuchten Biomaterial und vor allem bei den Exosomen besonders ausgeprägt. In den Exosomen ergab sich eine signifikante Hochregulation von miR-223-5p bei den FK im Vergleich mit den CRPS-Patienten. Bei der Zusammenfassung der Daten von CRPS und FK fand sich außerdem eine negative Korrelation zwischen der miR-223-5p-Expression und dem CSS, sodass ein erhöhtes Expressionsniveau mit einer milderen Krankheitsausbildung verbunden war. Hinsichtlich der traumanaiven Kontrollen war das Expressionsniveau der CRPS-Patienten hingegen unverändert. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass beim CRPS im Vergleich mit einem regelrechten Heilungsverlauf eine insuffiziente beziehungsweise ausbleibende posttraumatische Anpassung des miRNA-Spektrums vorliegt. Diese posttraumatische Regulation stellt eventuell eine wichtige Voraussetzung für den Ablauf eines komplikationslosen Heilungsprozesses dar. Für miR-223-5p wurde bereits mehrfach eine antiinflammatorische Wirkung durch die Regulation von proinflammatorischen Rezeptoren und die Beeinflussung der Differenzierung von Makrophagen beschrieben. Eine verminderte Expression könnte somit zu einer Disposition für überschießende Entzündungsreaktionen führen und dadurch zur Entwicklung von CRPS beitragen. Diese Ergebnisse weisen auf die Beteiligung zirkulierender und vor allem exosomaler miRNAs bei der Pathophysiologie des CRPS hin. Zur weiterführenden Abklärung der pathophysiologischen Relevanz von miR-223-5p sind jedoch zusätzliche Untersuchungen erforderlich. Dabei bleibt es zu prüfen, ob eine verminderte miR-223-5p-Expression mit verstärkten Entzündungsmarkern und einer verstärkten proinflammatorischen Differenzierung von Makrophagen verbunden ist. Eine Abklärung der Herkunft der Exosomen könnte dabei helfen, zwischen einer lokalen und einer systemischen Reaktion zu unterscheiden. Die Beantwortung dieser Fragen könnte zu einem besseren Verständnis beitragen, warum manche Patienten nach einem Extremitätentrauma ein CRPS entwickeln und keinen normalen Heilungsverlauf erfahren.
Das Urothelkarzinom ist das zweithäufigste urologische Malignom mit weltweit steigender Inzidenz. Nach initial kurativ intendierter transurethraler Resektion des Tumors zeigt bislang immer noch jeder vierte Patient einen Progress im Verlauf mit einem erhöhten Risiko einer Metastasierung, ohne dass hierfür verlässliche prognostische Marker zur Verfügung stehen. Mithilfe eines solchen (Bio)markers könnte beim Urothelkarzinom eine frühzeitige Diagnostik von Hochrisikokarzinomen ermöglicht, die Therapieplanung verbessert und somit das Risiko einer Metastasierung und erhöhten Mortalität gesenkt werden. Als mögliche Biomarker rücken micro-RNAs über ihre posttranskriptionelle Regulierung in den Fokus onkologischer Forschung. Mithilfe einer Datenbankrecherche wurden 7 verschiedene micro-RNAs (miR-9, -21, -29c, -145, -200c, -205, -221) selektioniert, welchen bereits in unterschiedlichen Malignomen eine Rolle in der Karzinogenese nachgewiesen werden konnte. Ein Einfluss dieser miRs im Urothelkarzinom war bislang noch nicht suffizient beschrieben, sodass anhand einer Expressionsanalyse in der vorliegenden Arbeit ein Biomarker für einen Progress untersucht werden sollte. Hierfür wurde ein archiviertes Gewebekollektiv, bestehend aus NMIBC, MIBC und benignem Referenzmaterial verwendet und die mittels RT-PCR ermittelte miR-Expression mit klinischen Parametern sowie Follow-up-Daten korreliert.
Letztlich konnte für unterschiedliche micro-RNAs ein Einfluss auf das Urothelkarzinom im untersuchten Kollektiv nachgewiesen werden und somit deren Bedeutung als Onko-miRs im Urothelkarzinom gestärkt werden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden die NMIBC retrospektiv anhand der Follow-up-Daten in zwei prognostisch unterschiedliche Subgruppen unterteilt und die Expressionsdaten miteinander verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl miR-29c als auch miR-145 in prognostisch ungünstigeren NMIBC mit einem muskelinvasiven Rezidiv im Verlauf eine signifikant niedrigere Expression im untersuchten Kollektiv aufwiesen. Anhand eines in der Regressionsanalyse ermittelten Schwellenwertes konnte in der Kaplan-Meier-Analyse sowohl ein erhöhtes progressionsfreies Überleben als auch eine niedrigere tumorassoziierte Mortalität in den NMIBC mit einer miR-Expression unterhalb des ermittelten Schwellenwertes gezeigt werden. Somit wurde im untersuchten Kollektiv ein Marker ermittelt, welcher anhand der miR-29c und -145-Expression eine Unterteilung in prognostisch günstige und ungünstige Gruppen ermöglicht. In einem zweiten unabhängigen Validierungskollektiv wurden miR-29c und -145 auf ihre zuvor erhobene prognostische Aussagekraft untersucht. Hierbei konnte miR-145 als prognoserelevanter Biomarker nicht validiert werden. Für miR-29c konnte hingegen erneut eine niedrige Expression mit einer schlechteren klinischen Prognose assoziiert werden. Zudem konnte der zuvor ermittelte Schwellenwert auch in dem zweiten Kollektiv und miR-29c somit als Prognosemarker in den untersuchten Kollektiven validiert werden.
In der Zellkultur konnte die tumorsuppressive Funktion der miR-29c weiter bestätigt werden. So zeigte sich in ektopisch miR-29c-überexprimierten Urothelkarzinomzellen eine signifikant niedrigere Proliferations- und Migrationsrate. Um die posttranskriptionelle Funktion der tumorsuppressiven miR-29c weiter abzuklären, konnte LOXL2 als ein solides Zielgen der miR-29c mittels RT-PCR-Analysen identifiziert werden.
Anhand dieser Ergebnisse konnten vor allem miR-29c tumorsuppressive Eigenschaften im Urothelkarzinom zugeschrieben werden. Im untersuchten Gewebekollektiv stellt die miR-29c einen relevanten Progressionsmarker dar, welcher im Rahmen prospektiver Studien weiter validiert werden könnte. Eine Implementierung der miR-29c-Expressionsanalyse in die Diagnostik der NMIBC ist somit insgesamt ein vielversprechender Ansatz um eine rasche Diagnose von Hochrisikokarzinomen zu stellen und folglich einer frühzeitigen Therapie zugänglich zu machen.
SLC6A2-regulierende microRNAs bei Angsterkrankungen: Genexpressions- und Assoziationsuntersuchungen
(2021)
Angsterkrankungen sind häufige Krankheitsbilder mit bislang nicht vollständig geklärter multifaktorieller Ätiologie. Neben Umwelt- und psychosozialen Faktoren zeigen Studien eine signifikante familiäre Häufung und lassen eine genetische Komponente mit einer Heritabilität in einem Bereich von 30-60 % vermuten. Da hierbei am ehesten von einem komplexen Zusammenspiel verschiedenster Gene mit unterschiedlicher Relevanz auszugehen ist, stellen miRNAs eine bedeutende Größe dar, da sie es vermögen auf transkriptioneller Ebene Einfluss auf die Regulierung einer Vielzahl von Genen zu nehmen.
Verschiedene Aspekte liefern Hinweise darauf, dass eine Neurotransmitterdysregulation eine wichtige Komponente in der Pathogenese von Angsterkrankungen einnimmt – insbesondere veränderte noradrenerge Signalwege sind hierbei entscheidend beteiligt. Dies macht den Noradrenalin-Transporter bzw. SLC6A2 zu einem interessanten Kandidatengen, und stellt die Bezugsgröße der angestellten Untersuchungen in dieser Arbeit dar. miRNAs, welche die SLC6A2-Expression modulieren, können somit Einfluss auf zentrale Verarbeitungswege von Angst nehmen.
Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden potentielle miRNA-Regulatoren von SLC6A2 in silico ermittelt und in einem weiteren Schritt in vitro überprüft. Zehn der miRNAs (hsa-miR-378g, hsa-miR-330-5p, hsa-miR-4781-5p, hsa-miR664b-3p, hsa-miR-4715-3p, hsa-miR-579-3p, hsa-miR-3921, hsa-miR-3622b-5p, hsa-miR-4773, hsa-miR-532-3p) zeigten hierbei eine relevante Abnahme der Luciferase-Aktivität als Hinweis auf ihre funktionelle Relevanz und stellen damit die Basis der nachfolgenden Untersuchungen dar.
Im zweiten Teil der Arbeit wurden Einzelbasenpolymorphismen im Bereich der zuvor ermittelten miRNA-Gene sowie eines SNP innerhalb der 3’-UTR von SLC6A2 mittels Fall-Kontroll-Studie in einer Population von Patienten mit Panikstörung und entsprechenden Kontrollen untersucht. Eine nominelle Assoziation ließ sich für das (minor) T-Allel von rs2910931 (stromaufwärts von MIR579) (p-allel = 0,004) sowie das (major) A-Allel von rs2582372 (p-allel = 0,023) feststellen. In Einklang hiermit ließ sich weiterhin für rs2910931 eine signifikante Assoziation zwischen der Anzahl der (minor) T-Allele und dem ASI-Wert (β = 0,371, p = 0,029, 95 %-CI 0,039-0,702) sowie dem ACQ-Wert (β = 0,012, p = 0,041, 95 %-CI 0,000-0,023) ermitteln. Somit zeigt sich eine Einflussnahme der genetischen Variante um MIR579 auf die Feinmodulation der Noradrenalin-Homöostase als möglichem ätiopathogenetischen Faktor von Angsterkrankungen.