Estudos sobre a organização genômica, evolução e expressão de microRNAs

Os microRNAs (miRNAs) são pequenos RNAs não codificadores de proteínas presentes na maioria dos eucariotos. Esses RNAs regulam a expressão gênica em nível pós-transcricional através do silenciamento de mRNAs-alvo que possuem sítios complementares às suas sequências, atuando em praticamente todos os processos celulares. Embora a estrutura e função dos miRNAs estejam bem caracterizadas, aspectos relacionados à sua organização genômica, evolução e atuação em doenças são tópicos que apresentam enormes lacunas. Nesta tese, utilizamos abordagens computacionais para investigar estes temas em três trabalhos. No primeiro, processamos e integramos um vasto volume de dados publicamente disponíveis referentes aos miRNAs e genes codificadores de proteínas para cinco espécies de vertebrados. Com isso, construimos uma ferramenta web que permite a fácil inspeção da organização genômica dos miRNAs em regiões inter e intragênicas, o acesso a dados de expressão de miRNAs e de genes codificadores de proteínas (classificados em genes hospedeiros e não hospedeiros de miRNAs), além de outras informações pertinentes. Verificamos que a ferramenta tem sido amplamente utilizada pela comunidade científica e acreditamos que ela possa facilitar a geração de hipóteses associadas à regulação dos miRNAs, principalmente quando estão inseridos em genes hospedeiros. No segundo estudo, buscamos compreender como o contexto genômico e a origem evolutiva dos genes hospedeiros influenciam a expressão e evolução dos miRNAs humanos. Nossos achados mostraram que os miRNAs intragênicos surgem preferencialmente em genes antigos (origem anterior à divergência de vertebrados). Observamos que os miRNAs inseridos em genes antigos têm maior abrangência de expressão do que os inseridos em genes novos. Surpreendentemente, miRNAs jovens localizados em genes antigos são expressos em um maior número de tecidos do que os intergênicos de mesma idade, sugerindo uma vantagem adaptativa inicial que pode estar relacionada com o controle da expressão dos genes hospedeiros, e como consequência, expondo-os a contextos celulares e conjuntos de alvos diversos. Na evolução a longo prazo, vimos que genes antigos conferem maior restrição nos padrões de expressão (menor divergência de expressão) para miRNAs intragênicos, quando comparados aos intergênicos. Também mostramos possíveis associações funcionais relacionadas ao contexto genômico, tais como o enriquecimento da expressão de miRNAs intergênicos em testículo e dos intragênicos em tecidos neurais. Propomos que o contexto genômico e a idade dos genes hospedeiros são fatores-chave para a evolução e expressão dos miRNAs. Por fim, buscamos estabelecer associações entre a expressão diferencial de miRNAs e a quimioresistência em câncer colorretal utilizando linhagens celulares sensíveis e resistentes às drogas 5-Fluoruracil e Oxaliplatina. Dentre os miRNAs identificados, o miR-342 apresentou níveis elevados de expressão nas linhagens sensíveis à Oxaliplatina. Com base na análise dos alvos preditos, detectamos uma significativa associação de miR-342 com a apoptose. A superexpressão de miR-342 na linhagem resistente SW620 evidenciou alterações na expressão de genes da via apoptótica, notavelmente a diminuição da expressão do fator de crescimento PDGFB, um alvo predito possivelmente sujeito à regulação direta pelo miR-342.

Micrornas 9a, 9b, 9c And 315 Regulate Expression Of A Reporter For The Neuronal Microtubule-Associated Protein Futsch/map1b

Fragile X syndrome (FXS) is the most common form of inherited mental retardation in humans. FXS is caused by loss of the Fragile X Mental Retardation Protein (FMRP), an important regulator of neuronal mRNA translation. Patients with FXS display cognitive deficits including memory problems. Protein synthesis-dependent long-term changes in synaptic plasticity are involved in the establishment and maintenance of long-term memory. One prevalent theory of FXS pathology predicts that FMRP is required to negatively regulate the translation of important mRNAs at the synapse. We are investigating microRNAs (miRNAs) as a potential regulator of synaptic FMRP-regulated mRNAs that have previously been described as being crucial to the process of synaptic plasticity. The general hypothesis underlying this thesis is that FMRP may negatively regulate the expression of futsch (the Drosophila homologue of the microtubule-associated protein gene MAP1B) via the miRNA pathway. The first step we took in testing this hypothesis was to confirm that futsch is subject to miRNA-mediated translational control. Using in silico target analysis, we predicted that several neuronally expressed miRNAs target the futsch mRNA 3'UTR and repress expression of Futsch protein. Then, using an in vitro luciferase reporter system, we showed that miR-315 and members of the miR-9 family selectively down-regulated futsch reporter translation. We have confirmed by site- directed mutagenesis that the miRNA interaction with the futsch 3'UTR is specific to the miRNA seed region binding site. Interestingly, reduction of FMRP levels by RNAi had no effect on futsch 3'UTR reporter expression. Together, these data suggest regulation of futsch expression by the miRNA pathway might be independent of FMRP activity. However, additional experiments need to be completed to confirm these preliminary results.

Activity-Regulated microRNAs: Modulators of Synaptic Growth at the Drosophila Neuromuscular Junction

It is well established that long-term changes in synaptic structure and function are mediated by rapid activity-dependent gene transcription and new protein synthesis. A growing body of evidence supports the involvement of the microRNA (miRNA) pathway in these processes. We have used the Drosophila neuromuscular junction (NMJ) as a model synapse to characterize activity-regulated miRNAs and their important mRNA targets. Here, we have identified five neuronal miRNAs (miRs-1, -8, -289, -314, and -958) that are significantly downregulated in response to neuronal activity. Furthermore we have discovered that neuronal misexpression of three of these miRNAs (miR-8, -289, and -958) is capable of suppressing new synaptic growth in response to activity suggesting that these miRNAs control the translation of biologically relevant target mRNAs. Putative targets of the activity-regulated miRNAs-8 and -289 are significantly enriched in clusters mapping to functional processes including axon development, pathfinding, and axon growth. We demonstrate that activity-regulated miR-8 regulates the 3'UTR of wingless, a presynaptic regulatory protein involved in the process of activity-dependent axon terminal growth. Additionally, we show that the 3'UTR of the protein tyrosine phosophatase leukocyte antengen related (lar), a protein required for axon guidance and synaptic growth, is regulated by activity-regulated miRNAs-8, -289, and -958 in vitro. Both wg and lar were identified as relevant putative targets for co-regulation based through our functional cluster analysis. One putative target of miR-289 is the Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (CamKII). While CamKII is not predicted as a target for co-regulation by multiple activity-regulated miRNAs we identified it as an especially pertinent target for analysis in our system for two reasons. First, CamKII has an extremely well characterized role in postsynaptic plasticity, but its presynaptic role is less well characterized and bears further analysis. Second, local translation of CamKII mRNA is regulated in part by the miRNA pathway in an activity-dependent manner in dendrites. We find that the CamKII 3'UTR is regulated by miR-289 in-vitro and this regulation is alleviated by mutating the `seed region' of the miR-289 binding site within the CamKII 3'UTR. Furthermore, we demonstrate a requirement for local translation of CamKII in motoneurons in the process of activity-regulated axon terminal growth.

MicroRNAs in pathology and as therapeutic target in gene therapy?

Dissertação para obtenção do grau de Mestre no Instituto Superior de Ciências da Saúde Egas Moniz

Novel expression of microRNAs in serum samples of Iraqi breast cancer women

Although a lot of hard work against cancer to reduces its spread but it still continues to kill with abandon. The need for a biomarker for cancer early detection becomes the most mind concentrated scientists. MicroRNAs the tiny non coding RNA molecules opened new path for the scientists to determine the cancer in its early stages. Expression of microRNAs profiles has been investigated to be involved in cancer development. Here we determined the expression of microRNAs in serum of Iraqi healthy volunteers and other women diagnosed with breast cancer. MicroRNAs expression has been determined by using real time qPCR and delta method has been used. Four of thirteen microRNAs were shown to be expressed in serum of Iraqi breast cancer women. Let-7a and miR-21 were shown to be significantly over expressed in serum of breast cancer compared with healthy serum volunteers (P= 0.022 and 0.026) respectively. While miR-26b and miR-429 found to be significantly down expressed in serum of breast cancer women (P= 0.0034 and 0.031) respectively. The result concluded that these expressed microRNAs in serum of breast cancer women could be used as a first indicator of breast cancer occurrence.

MicroRNAs in Parasitic Helminthiases: Current Status and Future Perspectives

MicroRNAs (miRNAs) play a variety of roles in diverse biological processes at the post-transcriptional regulatory level. Although numerous miRNAs have been identified in parasitic helminths, we still know little about their biological functions. As molecular signatures that can be stably detectable in serum and plasma, worm-derived miRNAs have shown promise as markers for the early detection of particular helminth infections. In addition, host miRNAs are dysregulated during the development of pathology associated with helminthiases and show potential as therapeutic intervention targets. This review discusses the possible biological roles of helminth miRNAs, the prediction of their specific targets, their application in diagnosis and anti-pathology therapy interventions, and the potential functions of miRNAs in extracellular vesicle cargo, such as exosomes, in helminth-host interplay.

MicroRNAs

Os microRNAs (miRNAs) são curtas cadeias de RNA não codificante, com cerca de 18 a 25 nucleotídeos, que regulam os níveis de mRNAs que são produzidos a partir de genes codificantes de proteínas. A descoberta dos miRNAs e a sua subsequente caracterização estrutural e funcional revelou a existência de um novo processo de regulação pós-transcricional da expressão génica em células eucarióticas que afeta uma grande variedade de funções celulares. A senescência acompanha o processo de evelhecimento dos organismos e é manifestada pela perda da capacidade proliferativa das células em resposta a diversos fatores de stress que desencadeiam alterações moleculares específicas. Na última década foram identificados e caracterizados vários miRNAs que participam na regulação do fenótipo da senescência celular, quer através da modulação de vias de sinalização endógenas que controlam a progressão do ciclo celular, quer através da secreção de factores de sinalização. Vários estudos têm também revelado a enorme potencialidade dos miRNAs como biomarcadores e alvos moleculares de novas abordagens terapêuticas. No futuro, é expectável que os avanços científicos possam ser transferidos para a prática clínica com vista a uma efetiva prevenção, vigilância e tratamento do envelhecimento prematuro e de doenças associadas ao envelhecimento.

Estudio del patrón de expresión de microRNAs en el hueso osteoporótico

Objetivos: Identificar microRNAs (miRNAs) diferencialmente expresados en muestras óseas con fractura osteoporótica respecto a huesos sanos. Material y métodos: Se extrajo RNA total a partir de hueso trabecular fresco del cuello femoral de mujeres sometidas a reemplazo de cadera, ya sea debido a fractura osteoporótica (n=6) o por artrosis en ausencia de osteoporosis (según la DMO) (n=6). Las muestras se hibridaron en un array de miRNAs y se realizaron diagramas de PCA y de mapa de calor. Para la comparación de los niveles de expresión, se fijó como significativo un umbral de cambio de >1,5 veces y un valor p<0,05 en la t de Student (corregido para múltiples pruebas). Resultados: Tanto los análisis de PCA como el mapa de calor mostraron una agrupación de las muestras según si eran de fractura o no. Se detectaron 790 miRNAs en las muestras de hueso, 82 de los cuales estaban alterados en las muestras osteoporóticas. Tras la validación en otro panel de 6 muestras osteoporóticas y 6 no osteoporóticas mediante PCR a tiempo real de los miRNAs más significativos, y para los que existía un ensayo disponible, se confirmaron los miRNAs miR-320a y miR-22-3p. Estos dos miRNAs se detectaron en cultivos de osteoblastos primarios, aunque no mantenían el mismo patrón de expresión que en las muestras de hueso total. Conclusiones: Hemos demostrado que existen diferencias en la expresión de miRNAs en muestras con fractura osteoporótica, lo que abre nuevas perspectivas para la investigación y diseño de nuevas terapias.

Genetic control of development in the parasitic nematode Haemonchus contortus by microRNAs

The parasitic nematode Haemonchus contortus has a major impact on the welfare and economic sustainability of small ruminant farming throughout the world. Increasing drug resistance requires the development of novel therapeutic agents. To further this process, we examined the fundamental biology of development in H. contortus, specifically, the potential role of microRNAs (miRNAs). miRNAs are short, non-coding RNA molecules that negatively regulate gene expression. In the free-living nematode Caenorhabditis elegans, miRNAs regulate a variety of genes including those involved in development. This thesis describes the expression patterns, potential targets and possible functions of miRNAs in H. contortus throughout development.

Identifying cancer-related microRNAs based on gene expression data

International audience