Genomweite Analyse zur Identifizierung differentiell exprimierter MicroRNAs und MRNAs bei Morbus Alzheimer

Abstract

MicroRNAs sind kleine nicht-kodierende RNA Moleküle, die mittels post-transkriptioneller Regulationsmechanismen an vielen verschiedenen biologischen und zellulären Prozessen beteiligt sind. Kürzlich wurde für einige miRNAs eine Deregulation in AD aufgezeigt, die eine völlig neue Sichtweise auf pathogene Mechanismen der Erkrankung bietet. Allerdings, wurden in den meisten miRNA Studien in AD lediglich einzelne miRNAs untersucht (hypothesengetriebene Ansätze), nur eine begrenzte Anzahl an Proben untersucht oder eine unabhängige Replikation vernachlässigt. Das Ziel der vorliegenden Studie war eine simultane Untersuchung genomweiter miRNA und mRNA Expressionsmuster in kortikalen Gehirngeweben von AD Patienten und gesunden Kontrollen. Die genomweite microRNA Expressionsanalyse wurde für mehr als 1200 annotierte humane miRNAs mittels Microarray Technologie in zwei unterschiedlichen Gehirnregionen von mehr als 60 Alzheimer Proben und unauffälligen Kontrollen durchgeführt. Die Ergebnisse wurden unter Verwendung von real time PCR erfolgreich in einer unabhängigen Kohorte von mehr als 300 humanen Gehirngewebeproben repliziert. Dabei wurden zwei miRNAs identifiziert, die im temporalen und präfrontalen Kortex von AD betroffenen Gehirngewebeproben signifikant reduziert vorliegen. Diese Reduktion beginnt bereits in frühen Braak Stadien und verstärkt sich im Verlauf der Erkrankung. Obwohl die Abnahme der Expressionslevel für beide miRNAs in grauer und weißer Substanz detektiert wurde, war eine stärkere Herunterregulation in der grauen Substanz zu beobachten, was für eine Herunterregulation eher neuronalen Ursprungs spricht. Des Weiteren wurde eine genomweite mRNA Expressionsanalyse in den gleichen humanen Proben durchgeführt, bei der erhöhte Expressionslevels für kleine nukleäre RNAs, die Teil des Spleißosomenkomplexes sind, sowie für an Entzündungsprozessen beteiligte Marker wie GFAP und NFKB1 in AD identifiziert. Durch Korrelationsanalyse konnten mRNA’s identifiziert werden deren Expression direkt mit der Expression der beiden miRNA korrelieren. Interessanterweise zeigten alle genomweit signifikant mit miRNA korrelierten Gene mit Ausnahme von TSPAN7 eine Hochregulation in AD, während das miR-132/212 Cluster in AD herunterreguliert war, was für einen direkten Einfluss der miRNAs auf die mRNA dieser Gene spricht. Dieser miRNome-weite Ansatz bestätigt die Ergebnisse vorheriger Studien und zeigt deutlich, dass die Herunterregulation von miR-132/212 ein früher und konsistenter Marker der Alzheimer’schen Erkrankung ist. Neben einer möglichen, wichtigen Rolle an Prozessen die für die Entstehung der Alzheimer Pathologie verantwortlich sind, tragen die MiR132 Familienmitglieder durchaus Potenzial als Biomarker. Auch für die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze könnten die hier beschriebenen Ergebnisse neue Impulse setzen.

MicroRNAs are small noncoding RNA molecules that are involved in multiple biological and cellular processes by post-transcriptional regulation of gene expression. Recently dysregulation of some miRNAs has been shown in Alzheimer’s disease (AD) which offers a completely new view of potential pathogenic mechanisms leading to AD. However, most miRNA studies in AD so far analyzed only very few miRNAs (hypothesis-driven candidate approaches) and suffered from limited sample sizes and/or lack of independent replications. The study aimed at simultaneous investigation of genome wide miRNA and mRNA expression patterns of cortical brain tissue in AD patients and healthy controls. Genome wide miRNA expression screen for more than 1200 annotated human miRNAs was performed in two different brain regions of more than 60 AD and unaffected controls using microarray technology. The findings were successfully replicated in an independent collection of more than 300 human brain samples by the use of real time PCR. Thereby a genome wide significant downregulation of hsa-miR-132-3p and hsa-miR-212-3p was observed in the temporal and prefrontal cortex of AD brains, which is already detectable at early Braak stages and advancing during disease progression. Although the decline of both miRNAs was detectable in grey and white matter sections, a considerable stronger downregulation was observed in the grey matter which supports the primarily neuronal origin of the downregulation. In addition, a genome wide mRNA expression analysis was performed using the same brain samples Several differentially expressed genes were identified, of which increased levels of small nuclear RNAs that are part of spliceosome complex as well as markers of inflammation in AD were most prominent correlation of expression levels of the two candidate miRNA. Interestingly, all of the genome wide significant correlated genes (except TSPAN7) were upregulated in AD whereas the miR-132/212 cluster was downregulated in AD suggesting that both miRNAs might regulate the mRNAs of those genes in a direct manner. This miRNome-wide approach adds substantial evidence to previous studies and clearly shows that miR- 132/212 down-regulation is an early occurring and consistent event in AD contributing to the pathogenesis of AD. Assessment of both genome wide data sets, and performing an in silico analysis of potential target binding sites, resulted in novel prospective candidate targets for miR-132/212 supporting a strong association of both miRNAs with important pathways affected in AD, such as inflammation, cell survival and lipid metabolism. Taken together, this miRNome-wide approach adds substantial evidence to previous studies and clearly shows that miR-132/212 down-regulation is an early and consistent event in AD. Besides their possibly important contribution to the pathogenesis of AD, miR-132 family members may also be useful as prospective noninvasive biomarkers or may open new opportunities for the development of therapeutic interventions.