Universität zu Köln

Schiffer, Isabelle (2019). A novel function for MicroRNA-1: Regulation of Protein Quality Control. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Ageing results in a progressive decline in all organ systems throughout the body. This is particularly evident in the musculature, where it can manifest as sarcopenia, the loss of muscle mass and strength. At the molecular level, ageing is often accompanied by a decline in muscle structure and function, as well as alterations in muscle proteostasis and metabolism. MicroRNAs (miRNAs) are small 22-26 nucleotide RNAs that bind with complementarity through their seed sequence to target mRNAs to downregulate gene expression. They can work as molecular switches or fine tune gene regulation through feedback, and typically have multiple targets, thereby coordinating cellular programs. As miRNAs could serve as therapeutic targets and are shown to be regulated with age, it would be of interest to investigate whether miRNAs can influence ageing parameters. Mir-1 is a muscle enriched microRNA highly conserved in evolution and is essential to mammalian muscle and heart function. However, elevated mir-1 levels are associated with muscle dysfunction and disease, suggesting a possible pleiotropic effect of mir-1 during the ageing process. Mir-1 mouse knockouts, however, are lethal and therefore difficult to study. By contrast, C. elegans mir-1 deletion mutants are viable, making it an ideal model organism to study the function of mir-1 in muscle ageing. In this work I focused on the potential role of mir-1 in regulating muscle function, proteostasis and organismal ageing. I found that mir-1 null mutations alleviate some of the known ageing-related symptoms: mir-1 null animals have increased motility, reduced aggregate formation under proteotoxic challenge, and show enhanced autophagy and lysosomal function. I subsequently identified lysosomal v-ATPase subunits and daf-16 as strong candidates for mediating the effect of mir-1 through proteomics- and bioinformatics-based screens. Follow-up experiments revealed that mir-1 downregulates VHA-13, a subunit of the lysosomal v-ATPase, in the muscle of C. elegans. It is likely that mir-1 directly suppresses vha- 13 mRNA translation through its binding to homologous sequences in the 3´UTR. Interestingly, I also identified mir-1-dependent effects outside of the muscle, such as increased lysosomal acidification in the gut of mir-1 mutants. This suggests potential non-tissue autonomous regulation by mir-1. In agreement with this observation I provided evidence that mir-1 is present in the circulation of Drosophila and possibly reaches target tissues. Elucidating, whether and how mir-1 could affect gene expression in tissues other than its site of expression could open up an interesting new field of research. In summary, this study reveals that muscle expressed mir-1 impacts organismal function, and implies both cell autonomous and non-autonomous control.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Altern ist ein komplexer Prozess, bei dem die Funktion aller Organsysteme des Körpers zunehmend beeinträchtigt werden. Solche altersbedingten Funktionsverluste lassen sich in der Muskulatur besonders gut beobachten, wo sie sich als Sarkopenie, also dem vorschreitenden Abbau von Muskelmasse und dem Abnehmen der Muskelkraft, manifestieren. Auf dem zellulären und molekularen Niveau geht dies oft mit Beeinträchtigung der Muskelstruktur und -funktion einher, und auch mit der Veränderung der Eiweisshomöostase (Proteostase) und des Stoffwechsels. Trotz dieser oft umfangreichen Umgestaltung zeigt die Muskultur jedoch auch noch im hohen Alter ein hohes Maß an Plastizität und kann positiv auf Training und Belastung reagieren und sich regenerieren. Darüber hinaus sind die positiven Effekte des Muskeltrainings häufig auch in anderen Organsystemen zu sehen, was darauf hinweist das die Muskulatur eventuell auch andere Gewebe in einer nichtzellautonomen Weise beeinflusst. Trotz dieser interessanten Rolle, welche die Muskulatur im Alterungsprozesses innehat, ist es jedoch unklar welche molekularen Mechanismen für die Veränderungen verantwortlich sind. MicroRNAs (miRNAs) sind kleine RNA Moleküle die durch Sequenzkomplementarität an mRNAs binden und dadurch die Exprimierung der entsprechenden Gene senken. miRNAs können als molekulare Schalter fungieren, haben oft mehrere Zielgene, und können diese durch Rückkopplungsmechanismen präzise regulieren, wodurch sie zur Koordination von zellulären Programmen gut geeignet sind. Da miRNAs durch Pharmazeutika reguliert werden können und ihre Exprimierung sich im Altern quantitativ verändert, wollten wir wissen ob diese Moleküle auch den Alterungsvorgang beeinflussen. Mir-1 ist eine miRNA die in der Muskulatur angereichert ist, evolutionär konserviert ist und in Säugetieren für Muskel- und Herzfunktion unerlässlich ist. Andererseits sind erhöhte Mengen an mir-1 mit Muskelfehlfunktionen assoziiert, was auf eine pleiotrope Wirkung von mir-1 im Altern hinweist. Knockout-Mäuse bei denen das mir-1 Gen fehlt, sind nicht lebensfähig, und dadurch schwer zu untersuchen. C. elegans Fadenwürmer mit einer mir-1 Deletion sind jedoch lebensfähig, und sind dadurch ein gutes Model um die Rolle von mir-1 im alternden Muskel zu studieren. Fokus der hier vorgelegten Arbeit war es die mögliche Rolle von mir-1 bei der Regulierung von Muskelfunktion, Proteostase und Alterungsprozessesen zu entschlüsseln. Dabei konnte ich nachweisen, dass mehrere altersbedingten Symptome bei Fadenwürmern ohne funktionsfähiges mir-1 reduziert zu beobachten sind. So haben diese Tiere zum Beispiel erhöhte Beweglichkeit, formen weniger Aggregate bei proteotixischem Stress, und zeigen gesteigerte autophagische und lysosomale Aktivität. Mittels Proteomanalyse und Bioinformatik konnte ich ausserdem mehrere lysosomalen v-ATPase Untereinheiten und daf-16 als Kandidaten identifizieren, die den Effekt von mir-1 vermitteln könnten. In Folgeexperimenten konnte ich belegen, dass mir-1 die Menge der lysosomalen v- ATPase Untereinheit VHA-13 im Muskel von C. elegans reduziert. Des Weiteren konnte ich zeigen, dass diese Regulierung wahrscheinlich durch das direkte Binden von mir-1 an Zielsequenzen in dem 3‘ untranslatiertem Bereich von vha-13 erfolgt. Interessanterweise zeigten meine Experimente auch mir-1-abhängige Regulierung außerhalb der Muskulatur, so zum Beispiel war erhöhte Versäuerung der Lysosomen im Darm von mir-1 Mutanten zu messen. Dies deutet darauf hin, dass mir-1 eventuell auch nicht-zellautonome Funktionen ausüben könnte. In Übereinstimmung mit dieser Hypothese konnte ich mir-1 Moleküle in der Hämolymphe von Drosophila melanogaster nachweisen. Zusammenfassend konnte ich belegen, dass die in der Muskulatur exprimierte mir-1 microRNA mehrere Merkmale des Alterungsvorgangs beeinflusst, und konnte sowohl Gene identifizieren, welche diesen Effekt vermitteln könnten, als auch eine mögliche nicht-zellautonome Funktion von mir-1 nachweisen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Schiffer, Isabelle schiffer.isabella@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-107130
Date:	September 2019
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Biology of Ageing
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language MicroRNA, mir-1, protein quality control, polyglutamine, vha-13, v-ATPase, lysosome, autophagy, C. elegans UNSPECIFIED
Date of oral exam:	28 November 2019
Referee:	Name Academic Title Antebi, Adam Prof. Dr. Hoppe, Thorsten Prof. Dr. Hammerschmidt, Matthias Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/10713