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Das Nervensystem erfährt während der Entwicklung umfangreiche Veränderungen in Bezug auf Musterung, Umbau und Zellspezifikation. Bei reifen Säugetieren besteht es aus Netzwerken von Zellen, die jedes Organ und jeden Teil des Körpers erreichen, um Impulse hin und her zu leiten und wichtige physiologische Reaktionen auf innere und äußere Reize rechtzeitig zu steuern. Um seine Aufgaben zu erfüllen, nutzt das Nervensystem eine große Anzahl von Zellen mit unterschiedlichen Eigenschaften, um äußerst komplexe Strukturen zu bilden, und ist für seine Entwicklung und Funktion von einer Reihe ausgeklügelter Genregulationsmechanismen abhängig. microRNAs (miRNAs) wurden als die neuesten Hauptakteure bei der Regulierung des Nervensystems hinzugefügt. miRNAs sind eine Klasse von reichlich vorhandenen, etwa 22 Nukleotide langen RNAs, die endogen in einer Vielzahl von Organismen und in jedem Zelltyp der Organismen exprimiert werden. Indem sie die Expression einer großen Anzahl von proteinkodierenden Genen regulieren, steuern miRNAs eine Vielzahl wichtiger biologischer Prozesse (Ambros, 2004). Diese Übersicht fasst unser derzeitiges Verständnis der Rolle der miRNAs im Nervensystem von Säugetieren zusammen.

miRNAs: die Biogenese und die Wirkungsmechanismen. Eine miRNA kann sich innerhalb eines Introns oder Exons eines Wirtsgens befinden oder eine unabhängige Transkriptionseinheit bilden (Rodriguez et al., 2004). Sie wird zunächst als Teil eines viel längeren primären Transkripts transkribiert, in der Regel durch die RNA-Polymerase II (Cullen, 2004). Bei Säugetieren wird das Transkript von einer RNase namens Drosha zusammen mit ihrer regulatorischen Untereinheit DGCR8 gespalten, um einen etwa 65-Nukleotid-Hairpin-Vorläufer im Zellkern freizusetzen. Eine kleine Anzahl von Vorläufern kann auch unabhängig von Drosha gebildet werden (Berezikov et al., 2007; Okamura et al., 2007; Ruby et al., 2007). Der Vorläufer wird dann durch Exportin5 und seinen an GTP gebundenen Ran-Kofaktor in das Zytoplasma exportiert. Im Zytoplasma wird der Vorläufer durch eine andere RNase, Dicer, weiter verarbeitet, um ein RNA-Duplex-Zwischenprodukt mit etwa 22 Basenpaaren zu erzeugen. Die Bindung eines Argonaute-Proteins an den Duplex und die anschließenden strukturellen Umstrukturierungen führen dazu, dass die reife, einzelsträngige miRNA im Argonaute-miRNA-Komplex verbleibt. Wie die mRNA-Expression kann auch die miRNA-Expression transkriptionell und posttranskriptionell reguliert werden; einige Beispiele werden später diskutiert.

Der Argonaute:miRNA-Komplex vermittelt die direkten biologischen Wirkungen der miRNA über RNA-Interferenz und verwandte Mechanismen (He und Hannon, 2004). Es wurde berichtet, dass zahlreiche Proteine mit dem Argonaute-Protein interagieren, obwohl ihre späteren Funktionen noch nicht eindeutig geklärt sind. Die miRNA-Einheit sorgt eindeutig für die Spezifität des RNA-Silencing-Prozesses, indem sie an ihre Zielsequenz bindet, die sich normalerweise in den 3′-untranslatierten Regionen einer tierischen mRNA befindet. Die Komplementarität zwischen dem 5′-Ende der miRNA, der so genannten Seed-Region, und der Ziel-mRNA scheint für die Bindungsspezifität überproportional wichtig zu sein, während das 3′-Ende der miRNA weniger zur Zielerkennung beiträgt (Lewis et al., 2005). Da eine tierische miRNA fast nie perfekt auf ihre Ziele abgestimmt ist und partielle Komplementaritäten in der Tat für die miRNA-Funktion ausreichen, kann eine miRNA die Expression von Hunderten von Genen regulieren; andererseits kann eine mRNA mehrere miRNA-Zielstellen enthalten (Lewis et al., 2005; Xie et al., 2005; Miranda et al., 2006). Die Interaktion zwischen einer miRNA und ihrer Ziel-mRNA führt in erster Linie zu einer verminderten Produktion des Zielgenprodukts (d. h. des Proteins), obwohl der genaue Mechanismus noch nicht ganz klar ist (Filipowicz et al., 2008). Das Argonaute-Protein interagiert wahrscheinlich mit der Translationsmaschinerie, um die Proteinsynthese zu hemmen, was in verschiedenen Stadien (z. B. bei den Initiations- und Elongationsschritten) während der Translation geschehen könnte, vielleicht abhängig von der Art der miRNA und des Ziel-Transkripts. mRNAs, die an der Translation gehindert werden, zeigen oft auch eine verminderte Akkumulation. Den miRNAs werden noch weitere Wirkungsweisen zugeschrieben. So können miRNAs beispielsweise die Genexpression in zyklisch kultivierten Zellen unterdrücken, die Genexpression in arretierten Zellen jedoch verstärken (Vasudevan und Steitz, 2007; Vasudevan et al., 2007). Obwohl die letztgenannte Möglichkeit erhebliche Auswirkungen auf postmitotische Neuronen hat, haben sich die Forschungsbemühungen bisher auf das Verständnis der miRNA-vermittelten Genunterdrückung im Nervensystem konzentriert.

In der aktuellen miRNA-Datenbank sind etwa 600 menschliche miRNA-Gene verzeichnet, die für etwa 1000 potenzielle miRNAs kodieren (Griffiths-Jones et al., 2008). Viele von ihnen sind in Säugetieren evolutionär konserviert, einige sogar in Würmern und Fliegen. miRNA-Gene werden unter Berücksichtigung der Arterhaltung in der Reihenfolge ihrer Entdeckung benannt, z. B. miR-1, miR-2 usw., mit Ausnahme von lin-4 und let-7, den ersten beiden miRNAs, die jemals identifiziert wurden. Die Entdeckung von miRNAs wurde durch massive Sequenzierungsanstrengungen und die Vorhersage durch Computerprogramme, gefolgt von der Bestätigung durch empfindliche Polymerase-Kettenreaktionsmethoden, erheblich erleichtert. Diese Ansätze sind jedoch mit Vorbehalten behaftet. Ein kleiner Teil der miRNAs ist wahrscheinlich falsch annotiert und stellt stattdessen Abbauprodukte von nicht verwandten Transkripten dar (Berezikov et al., 2006a). Da eine miRNA durch Bindung an ihre Ziel-mRNAs wirkt, deren Zahl möglicherweise in die Hunderte geht, hängt die Funktion einer miRNA außerdem entscheidend von ihrer Masse ab. Die Kopienzahl der am häufigsten vorkommenden miRNAs kann weit über 10.000 pro Zelle oder Neuron liegen (Lim et al., 2003; Kye et al., 2007), aber es ist möglich, dass bestimmte miRNAs aus der Datenbank auf einem zu niedrigen Niveau exprimiert werden, um gegen die meisten ihrer ansonsten potenziellen Ziele wirksam zu sein. Andererseits kann eine miRNA, auch wenn sie in einer Gewebeprobe insgesamt nur selten vorkommt, dennoch funktionell sein, wenn sie auf eine Unterpopulation von Zellen eines bestimmten Zelltyps oder Entwicklungsstadiums beschränkt ist, was für die Situation im Nervensystem relevant sein kann.

miRNA-Expression im Nervensystem. Wie andere Gewebe und Zellen exprimieren auch das Nervensystem und neurale Zelllinien miRNAs, von denen einige im Gewebe und in neuralen Zellen angereichert oder einzigartig sind (z.B. miR-9, miR-124, miR-125, miR-128 und miR-129) (Lagos-Quintana et al., 2002; Dostie et al, 2003; Babak et al., 2004; Barad et al., 2004; Kim et al., 2004; Liu et al., 2004; Nelson et al., 2004; Sempere et al., 2004; Baskerville und Bartel, 2005; Berezikov et al., 2006b; Hohjoh und Fukushima, 2007a; Landgraf et al., 2007; Bak et al., 2008). Die Zahl der miRNA-Gene, die im Nervensystem exprimiert werden, scheint größer zu sein als in vielen anderen Organen, was vielleicht teilweise darauf zurückzuführen ist, dass das Nervensystem viele Zelltypen und -subtypen enthält. Um die Komplexität der miRNA-Expression zu verstehen, haben diese Studien außerdem gezeigt, dass anatomisch unterschiedliche Bereiche des erwachsenen Zentralnervensystems (z. B. Kleinhirn, Hypothalamus und Hippocampus) ähnliche miRNAs exprimieren, dass aber die relativen miRNA-Konzentrationen in den verschiedenen Regionen erheblich variieren können.

Die miRNA-Expression während der neuronalen Differenzierung und Neuroentwicklung wurde ebenfalls untersucht. Wenn embryonale Karzinomzellen mit all-trans-Retinsäure behandelt werden, differenzieren sie sich abschließend in neuronenähnliche Zellen. Parallel zu den morphologischen Veränderungen wird die Expression von miRNAs wie miR-9, miR-124 und miR-125 im Laufe der Zeit deutlich erhöht, was darauf hindeutet, dass diese miRNAs zusätzlich zu ihren potenziellen Funktionen bei Erwachsenen eine Rolle bei der Differenzierung oder der Bestimmung des Zellschicksals spielen könnten (Sempere et al., 2004; Smirnova et al., 2005; Hohjoh und Fukushima, 2007b). Viele miRNAs, die nicht spezifisch für das Nervensystem sind, sind ebenfalls betroffen. So ist beispielsweise die let-7-Familie von miRNAs stark erhöht, was wahrscheinlich einen allgemeineren Einfluss auf den Differenzierungs- und Entwicklungsprozess hat. Ähnliche und tiefgreifende Veränderungen in der miRNA-Expression werden beobachtet, wenn embryonale Stammzellen Neurogenese und Gliogenese durchlaufen (Smirnova et al., 2005; Krichevsky et al., 2006). Darüber hinaus wird gezeigt, dass miR-124 und miR-128 bevorzugt in Neuronen exprimiert werden, während miR-23, miR-26 und miR-29 auf Astrozyten beschränkt oder dort angereichert sind (Smirnova et al., 2005). Das miRNA-Expressionsprofil bei der Entwicklung des Nervensystems von Säugetieren wurde ebenfalls untersucht, und auch hier wurde eine zeitlich regulierte Welle der miRNA-Expression beobachtet (Krichevsky et al., 2003; Miska et al., 2004; Smirnova et al., 2005; Wheeler et al., 2006; Dogini et al., 2008). All diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das miRNA-Expressionsprofil als Marker für die neuronale Entwicklung dienen kann und dass spezifische miRNAs zum Entwicklungsprozess beitragen können.

miRNAs wurden aus Polysomen in kultivierten Neuronen isoliert, was mit der Rolle der miRNA bei der Kontrolle der Translation übereinstimmt (Kim et al., 2004; Nelson et al., 2004). Ein strategischer Aspekt der Genregulation in Nervenzellen ist, dass viele mRNAs in der Nähe bestimmter Strukturen konzentriert sind, um eine lokale, aktivitätsgesteuerte Proteinsynthese zu gewährleisten. Es ist denkbar, dass auch einige miRNAs solchen subzellulären Verteilungsmustern folgen. Tatsächlich wurde über eine selektive Anreicherung oder Abreicherung von miRNAs in den Dendriten berichtet (Schratt et al., 2006; Kye et al., 2007). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass miRNAs, wie sequenzspezifische mRNA-bindende Proteine, die Genexpression lokal regulieren könnten, um die synaptische Plastizität in Nervenzellen zu beeinflussen.

miRNA-Funktion: Lehren aus den Studien über den globalen Verlust von miRNAs. Konditionale Knockouts von Dicer, dem für die miRNA-Biogenese erforderlichen Gen, wurden ausgiebig genutzt, um die kollektive Rolle von miRNAs in bestimmten Geweben und Zelltypen bei Mäusen zu untersuchen. Der Verlust von Dicer in reifen Purkinje-Zellen führt zu einer raschen Verbreitung von miRNAs ohne unmittelbare Auswirkungen auf die Physiologie oder Funktion der Zellen (Schaefer et al., 2007). Dennoch kommt es schließlich zum Zelltod, der zu einer fortschreitenden Degeneration des Kleinhirns und zur Entwicklung einer Ataxie führt, die neurodegenerative Störungen beim Menschen widerspiegelt. Die Ablation von Dicer in postmitotischen dopaminergen Neuronen des Mittelhirns führt ebenfalls zu einem fortschreitenden Verlust der Neuronen in vitro und in vivo, und mutierte Mäuse haben eine deutlich reduzierte Fortbewegung, die an Patienten mit der Parkinsonschen Krankheit erinnert (Kim et al., 2007). Der homozygote Knockout von Dicer ab dem 15. Embryonaltag im Kortex und Hippocampus von Mäusen führt zu Veränderungen der Dendritenmorphologie, Apoptose, Mikrozephalie, Ataxie und Tod bis 3 Wochen nach der Geburt (Davis et al., 2008). Mäuse mit einem Dicer-Verlust in den dopaminozeptiven Neuronen des Striatums zeigen ebenfalls Verhaltens- und neuroanatomische Phänotypen, obwohl die betroffenen Neuronen im Gegensatz zu den Neuronen, auf die in den anderen Studien abgezielt wurde, über die gesamte Lebensspanne der Tiere überleben, die etwa 10 Wochen beträgt (Cuellar et al., 2008). Dicer ist außerdem für die olfaktorische Differenzierung im Embryo, die Aufrechterhaltung der olfaktorischen Vorläuferzellen und die Differenzierung der olfaktorischen Vorläuferzellen erforderlich, während es für die ordnungsgemäße Funktion der reifen Neuronen in Mäusen entbehrlich ist (Choi et al., 2008). Eine Ursache für diese Phänotypen könnte darin liegen, dass die miRNA-Depletion zu einem sehr allmählichen Verlust wichtiger Proteine und/oder zu einer Anhäufung bestimmter Proteine bis zu einem Niveau führt, das letztlich toxisch für die Zellen ist. Es bleibt unklar, ob einige der beobachteten Phänotypen auf den Verlust von miRNA-unabhängigen Funktionen von Dicer zurückzuführen sind, da Dicer auch andere kleine RNAs, wie z. B. kleine interferierende RNAs, verarbeitet. Die Haploinsuffizienz von DGCR8, einem anderen Gen, das an der Verarbeitung von miRNAs beteiligt ist, führt bei Mäusen ebenfalls zu einer verminderten miRNA-Expression und zu neuronalen und verhaltensbezogenen Defiziten (Stark et al., 2008). Insgesamt spricht vieles dafür, dass miRNAs eine wichtige Rolle bei der neuronalen Differenzierung und beim Überleben spielen, was mit der ubiquitären Expression von miRNAs und ihren Funktionen in anderen Geweben übereinstimmt.

miRNA-Funktion: Lehren aus den Studien zu einzelnen miRNAs. Die Funktionen einzelner miRNAs in sich entwickelnden Neuronen sind untersucht worden. In derselben Studie, in der die kombinierte Rolle von miRNAs bei der Erhaltung dopaminerger Neuronen im Mittelhirn nachgewiesen wurde (Kim et al., 2007), wurde festgestellt, dass miR-133b die Differenzierung dieser Neuronen aus embryonalen Stammzellen und Mittelhirnkulturen unterdrückt. Die Autoren identifizierten als Ziel von miR-133b den Transkriptionsfaktor Pitx3, der normalerweise die Genexpression in dopaminergen Neuronen aktiviert. Choi et al. (2008) zeigten, dass miR-200 für die Differenzierung von Vorläuferzellen des Riechorgans von wesentlicher Bedeutung ist und dass seine Funktion möglicherweise von seiner Fähigkeit abhängt, den Notch- und den transformierenden Wachstumsfaktor-β-Signalweg sowie Foxg1 zu beeinflussen. Ein weiteres, vielleicht am besten untersuchtes Beispiel ist miR-124, eine reichlich vorhandene und charakteristische miRNA in Neuronen. Die miR-124-Expression ist in embryonalen Stammzellen und neuronalen Vorläuferzellen gering, steigt aber in Neuronen dramatisch an. Eine frühe Überexpression von miR-124 zusammen mit einer anderen häufig vorkommenden miRNA, miR-9, führt zu einer Verschiebung der Vorläuferdifferenzierung zu Neuronen, was darauf hindeutet, dass miR-124 und miR-9 die neuronale Differenzierung stimulieren (Krichevsky et al., 2006). In einer anderen Studie fördert die Überexpression von miR-124 das Wachstum von Neuriten, während die Hemmung der Funktion von miR-124 das Wachstum von Neuriten verzögert (Yu et al., 2008). miR-124 kann Zellen neuronale Eigenschaften verleihen, da die Überexpression von miR-124 in HeLa-Zellen viele Gene herunterreguliert, die in Neuronen nicht exprimiert werden (Lim et al., 2005), während die Blockierung der miR-124-Aktivität in reifen Neuronen die Werte nicht-neuronaler mRNAs erhöht (Conaco et al., 2006). miR-124 übt seine Funktionen über mindestens drei Mechanismen aus. Erstens hemmt es die Expression der Phosphatase 1 mit kleiner C-terminaler Domäne, einer Komponente des RE1-Silencing-Transkriptionsrepressors (Visvanathan et al., 2007). In nicht-neuronalen Geweben schaltet der RE1-Silencing-Transkriptionsrepressor die Transkription vieler neuronaler Gene aus, darunter auch miR-124 (Conaco et al., 2006), das ein neues Beispiel für kritische Transkriptionsfaktoren ist, die die Expression sowohl von mRNAs als auch von miRNAs regulieren. Infolge einer erhöhten miR-124-Konzentration in Neuronen wird die Transkription vieler neuronenspezifischer Gene induziert. Zweitens blockiert miR-124 die Expression von Polypyrimidintrakt-bindendem Protein 1, einem globalen Repressor für neuronenspezifische, alternative Exon-Inklusion in nicht-neuronalen Zellen (Makeyev et al., 2007). Somit steuert miR-124 zwei Hauptregulatoren, um die Expression eines breiten Spektrums von Genen zu beeinflussen. Drittens zielt miR-124 direkt auf viele Gene, die an der Regulierung des Zytoskeletts beteiligt sind, was seine Funktion bei der Förderung des Neuritenauswuchses erklären könnte (Yu et al., 2008). miR-124 hat wahrscheinlich noch viele andere direkte Ziele.

In reifen Neuronen ist die miRNA-regulierte lokale Proteinsynthese an Synapsen ein attraktives Modell für den Aufbau synaptischer Plastizität. In hippocampalen Neuronen der Ratte ist miR-134 im synaptodendritischen Kompartiment konzentriert (Schratt et al., 2006). Die Überexpression von miR-134 verringert das Volumen der dendritischen Stacheln erheblich, was der synaptischen Stärke nahe kommt, während die Hemmung der miR-134-Funktion das Volumen der Stacheln erhöht. In den Dendriten verhindert miR-134 die Übersetzung der lim-domain containing protein kinase 1 (Limk1), einem Regulator der Aktinfilamentdynamik. Eine Überexpression von Limk1 wirkt den Auswirkungen von miR-134 auf die Stachelmorphologie entgegen, was darauf hindeutet, dass die Hemmung der Limk1-Expression ein wichtiger Weg ist, über den miR-134 die Größe der dendritischen Stacheln einschränkt. Die funktionelle Interaktion zwischen Limk1 und miR-134 kann durch neuronale Aktivitäten reguliert werden, da sie durch den neurotrophen Faktor des Gehirns, der bei synaptischer Stimulation freigesetzt wird, über noch zu bestimmende Mechanismen gelindert wird. Wenn die Assoziation einer miRNA, wie die von RNA-spezifischen Bindungsproteinen, mit einer oder mehreren Ziel-mRNAs durch einen Stimulus gesteuert wird, kann der Stimulus die Interaktion zwischen der miRNA und der/den mRNA(s) modulieren, um die Genexpression schnell und koordiniert zu regulieren. Obwohl miR-134 bisher die einzige Säugetier-miRNA ist, für die eine lokalisierte Funktion in Neuronen nachgewiesen wurde, deutet die Feststellung, dass Proteine, die an der miRNA-Biogenese und -Funktion beteiligt sind, in postsynaptischen Dichten, Axonen und Wachstumskegeln vorhanden sind, darauf hin, dass die spezifischen Funktionen weiterer miRNAs an solchen Orten identifiziert werden können (Lugli et al., 2005; Hengst und Jaffrey, 2007). Als Hinweis auf eine Rolle der miRNAs bei der Kontrolle der Freisetzung von Neurotransmittern wurde berichtet, dass miR-130a und miR-206 die Synthese des Neurotransmitters Substanz P in aus menschlichen mesenchymalen Stammzellen abgeleiteten neuronalen Zellen hemmen, während Interleukin-1α die Expression der miRNAs reduziert und damit die Hemmung aufhebt (Greco und Rameshwar, 2007).

Die Expression und Funktion der neuronalen miRNAs wird durch äußere Einflüsse, einschließlich pharmakologischer Wirkstoffe, beeinflusst. In einem Kulturmodell der fötalen Mäuse-Hirnrinde, in dem untersucht wurde, wie Ethanol die Entwicklung des fötalen Gehirns beeinflusst, hat sich gezeigt, dass eine hohe Ethanol-Dosis die Expression von miR-21, miR-335, miR-9 und miR-153 unterdrückt, eine niedrigere Ethanol-Dosis jedoch miR-335 induziert (Sathyan et al., 2007). Reaktive Sauerstoffspezies verändern die miRNA-Expression in Zellkulturen des menschlichen Gehirns (Lukiw und Pogue, 2007), ein Umstand, der für die Alzheimer-Krankheit von Bedeutung sein könnte (Lukiw, 2007). Als Beispiel für Psychotherapeutika, die auf miRNAs abzielen, beeinflussen Lithium und Valproat, zwei wichtige Stimmungsstabilisatoren, die langfristige Expression von let-7b, let-7c, miR-128a, miR-24a, miR-30c, miR-34a, miR-221 und miR-144 im Hippocampus der Ratte (Zhou et al., 2008). Die Funktionen dieser miRNAs müssen noch genauer definiert werden. Die miRNAs könnten teilweise die Auswirkungen von Ethanol, reaktiven Sauerstoffspezies oder Stimmungsstabilisatoren auf die Genexpression vermitteln und/oder sie könnten die adaptiven Veränderungen in den Gehirnzellen anzeigen. Aus den veränderten miRNAs kann man die Expressionsänderungen in ihren Zielgenen ableiten und testen, um die Wirkungsmechanismen verschiedener Wirkstoffe und Behandlungen zu erhellen. In einer solchen Studie wurde gezeigt, dass eine langfristige hyperosmolare Stimulation zu einem Anstieg der miR-7b-Spiegel im Hypothalamus führt, und als Ziel von miR-7b wurde Fos identifiziert, ein wichtiger Transkriptionsfaktor, der Reaktionen auf viele neuropharmakologische Wirkstoffe vermittelt (Lee et al., 2006). Die Transkription von miR-132 wird durch das cAMP-Response-Element-Bindungsprotein positiv gesteuert, das wie Fos auf eine Vielzahl von Reizen und neuronalen Aktivitäten reagiert (Vo et al., 2005; Wayman et al., 2008). miR-132 reguliert p250GAP herunter, ein Mitglied der Rac/Rho-Familie von GTPase-aktivierenden Proteinen, das das Neuritenwachstum einschränkt. Die aktivitätsgesteuerte Produktion von miR-132 in Abhängigkeit vom cAMP-Response-Element-Bindungsprotein führt zu einer Hemmung von p250GAP und zum Wachstum von Neuriten und trägt damit zur dendritischen Plastizität bei. Ein zweites Ziel von miR-132 ist das Methyl-CpG-bindende Protein 2, ein allgemeiner Transkriptionsrepressor (Klein et al., 2007). Darüber hinaus werden miR-132 und eine andere hirnspezifische miRNA, miR-129, durch Licht und die zirkadiane Uhr gesteuert und modulieren ihrerseits den zirkadianen Zeitablauf im suprachiasmatischen Kern in vivo (Cheng et al., 2007).

Aus der schnell wachsenden Zahl von Belegen geht hervor, dass miRNAs die Expression von Genen regulieren, die an einer Vielzahl von Prozessen beteiligt sind und viele Schritte und Aspekte der Reifung und des Betriebs des Nervensystems von Säugetieren beeinflussen. Zukünftige Studien werden aufklären, wie miRNAs im Zusammenspiel mit Transkriptionsfaktoren, mRNA-bindenden Proteinen und anderen regulatorischen Proteinen die Genexpression als Reaktion auf interne und externe Stimuli zeitlich und räumlich fein abstimmen.

miRNA-Assoziation mit neurologischen Erkrankungen beim Menschen. Eine abweichende miRNA-Expression und -Funktion wurde mit Krebs und anderen Erkrankungen des Nervensystems in Verbindung gebracht. miRNAs werden in Glioblastomen und Neuroblastomen unterschiedlich exprimiert (Chan et al., 2005; Ciafre et al., 2005; Laneve et al., 2007; Lukiw et al., 2009; Silber et al., 2008). Bei Glioblastomen beispielsweise sind die Werte von miR-21, miR-221 und miR-222 erhöht, während die Werte von miR-7, miR-124 und miR-137 abnehmen. miR-21 ist ein mutmaßliches Onkogen, das bei Krebserkrankungen häufig überexprimiert wird. Zu den potenziellen Zielen von miR-221 und miR-222 gehören p27 und p57, Inhibitoren der Zellzyklusprogression (Gillies und Lorimer, 2007; Medina et al., 2008), während ein vermindertes miR-7 die Expression des epidermalen Wachstumsfaktorrezeptors und des Akt-Signalwegs (Kefas et al., (Kefas et al., 2008) und Fos (Lee et al., 2006).

Zahlreiche Dicer-Knockout-Studien haben bei Mäusen ähnliche Phänotypen wie bei neurodegenerativen Erkrankungen des Menschen (siehe oben) gezeigt, was darauf hindeutet, dass der Verlust globaler und/oder spezifischer miRNAs zu den Krankheiten beitragen kann. Beim Menschen wurde ein Ein-Nukleotid-Polymorphismus in der miR-189-Bindungsstelle in der 3′-untranslatierten Region der mRNA identifiziert, die für ein starkes Kandidatengen für das Tourette-Syndrom, SLIT und Trk-like 1, kodiert (Abelson et al., 2005). Die Nukleotidveränderung verstärkt laut einem Reporter-Assay die miRNA-vermittelte Genunterdrückung. Die miR-133b-Expression ist im Mittelhirn von Patienten mit Parkinson-Krankheit mangelhaft, obwohl der ursächliche Zusammenhang zwischen dem Verlust von miR-133b und der Parkinson-Krankheit noch nicht geklärt ist (Kim et al., 2007). Eine Reihe von miRNAs wird im präfrontalen Kortex von Patienten mit Schizophrenie (Perkins et al., 2007) oder in den Gehirnen von Patienten mit Alzheimer-Krankheit (Lukiw, 2007; Lukiw et al., 2008) unterschiedlich exprimiert. So ist beispielsweise miR-146a in den Gehirnzellen von Patienten mit Alzheimer-Krankheit erhöht, während die Expression seines mutmaßlichen Ziels, des Komplementfaktors H, vermindert ist. Die Transkription von miR-146a wird durch den Nuklearfaktor-κB stimuliert (Taganov et al., 2006; Lukiw et al., 2008), was mit der Beteiligung von Entzündungs- und anderen Stressreaktionen an der Pathogenese der Alzheimer-Krankheit vereinbar ist. Die Alzheimer-Krankheit ist außerdem mit dem Verlust von miR-29 und miR-107 im Gehirn verbunden, die normalerweise die β-Sekretase-Expression unterdrücken (Hebert et al., 2008; Wang et al., 2008). Schließlich wird von einer veränderten Expression von miRNAs, einschließlich einer verminderten miR-132, bei Patienten mit der Huntington-Krankheit berichtet (Johnson et al., 2008). Sobald ein Zusammenhang zwischen der miRNA-Expression und neurologischen Erkrankungen hergestellt ist, besteht eine gewaltige Aufgabe darin, den Beitrag der miRNAs zu diesen verschiedenen Krankheiten aufzuklären.

Therapeutische Interventionen auf der Grundlage unseres Wissens über miRNAs. Aufgrund der unterschiedlichen Expression von miRNAs bei verschiedenen Krankheiten ist es verlockend, miRNAs zu überexprimieren oder die miRNA-Funktion zu hemmen, um solche Krankheiten zu behandeln. Obwohl alle Ergebnisse noch vorläufig sind, hat sich gezeigt, dass die Hemmung der miR-21-Funktion Apoptose in Glioblastomzellen auslöst und die Zellen für eine zytotoxische Tumortherapie bei Mäusen sensibilisiert (Chan et al., 2005; Corsten et al., 2007). Die Überexpression von miR-221 und miR-222 in Glioblastomzellen fördert den vorzeitigen Eintritt in den Zellzyklus, was zum Zelltod führt (Medina et al., 2008). Ebenso verringert die Überexpression von miR-7 die Lebensfähigkeit und Invasivität von primären Glioblastomlinien in vitro (Kefas et al., 2008). Diese Studien zeigen, dass die unterschiedliche miRNA-Expression funktionelle Auswirkungen hat und dass die miRNAs als Ziele für medikamentöse Interventionen dienen können. So können beispielsweise Cholesterin-konjugierte miRNAs oder ihre Inhibitoren oder ihre viralen Expressionsvektoren durch gezielte Injektion in das Gehirn eingeführt werden, um die miRNA-Funktion zu verändern. Andererseits können Medikamente entwickelt werden, die die miRNA-Expression regulieren, oder sobald die nachgeschalteten Effektoren der miRNAs aufgedeckt sind, werden auch sie zu Zielobjekten von Medikamenten.

Künstliche miRNAs oder kurze Haarnadel-RNAs wurden ebenfalls entwickelt und zur Unterdrückung der Genexpression durch RNA-Interferenz in Krankheitsmodellen eingesetzt. In solchen Fällen fungieren die miRNAs als kleine interferierende RNAs, die auf virale Gene oder körpereigene Gene abzielen, von denen bekannt ist, dass sie Krankheiten verursachen. In einer Studie schützt eine einmalige intrakranielle Verabreichung von lentiviral kodierten Kurzhaarnadel-RNAs Mäuse vor einer tödlichen Enzephalitis, die durch das Japanische Enzephalitis-Virus ausgelöst wird (Kumar et al., 2006). In einer anderen Studie verbesserte die intrazerebellare Injektion von rekombinanten adeno-assoziierten Viren, die kurze Haarnadel-RNAs gegen mutiertes Ataxin-1 exprimieren, das Protein, das für die spinozerebelläre Ataxie Typ 1 verantwortlich ist, die motorische Koordination, stellte die Morphologie des Kleinhirns wieder her und verringerte die Ataxin-1-Kerneinschlüsse in einem Mausmodell (Xia et al., 2004). Eine dritte Studie befasst sich mit der Huntington-Krankheit (McBride et al., 2008), die durch ein dominant mutiertes Huntingtin-Protein verursacht wird. Künstliche miRNAs gegen das Protein werden von rekombinanten adeno-assoziierten Viren kodiert und durch Injektion in das Striatum von Mäusen, die das mutierte menschliche Huntingtin-Protein exprimieren, verabreicht. Die miRNAs sind in der Lage, die Expression des mutierten Huntingtins zu reduzieren, ohne eine offensichtliche Toxizität im Mäusegehirn zu verursachen.

Zukunftsperspektive. Es besteht kein Zweifel daran, dass die Sammlung validierter miRNA-Zielmoleküle und -Funktionen in naher Zukunft in rasantem Tempo wachsen wird. Um unser Verständnis der komplexen Rolle der miRNAs bei der Regulierung des Nervensystems zu vertiefen, wird es von großem Nutzen sein, eine Reihe der folgenden Fragen zu klären. Erstens: Ist es möglich, die Auflösung der miRNA-Expression zu verfeinern, um die vielen verschiedenen Zelltypen und -subtypen im sich entwickelnden und reifen Nervensystem zu berücksichtigen? Ist die subzelluläre Lokalisierung von miRNAs dynamisch, und wird die miRNA-Funktion in einer Nervenzelle räumlich reguliert? Zweitens sollte eine systemische oder globale Sichtweise eingenommen werden, um zu bewerten, wie Veränderungen in der miRNA-Expression zu Veränderungen in der Proteinexpression und letztlich zu Veränderungen im Phänotyp führen. Eine miRNA hat wahrscheinlich viele Ziele. Obwohl in veröffentlichten Berichten für jede miRNA in der Regel nur eines ihrer Ziele untersucht wurde, dessen Aktivität mit der Gesamtfunktion der miRNA übereinstimmt, ist es sehr wahrscheinlich, dass eine miRNA Gene regulieren kann, die einen bestimmten Prozess in vivo sowohl positiv als auch negativ kontrollieren. Die Wirkungen von miRNAs sind auch mit den Wirkungen anderer regulatorischer Moleküle (z. B. Transkriptionsfaktoren) verbunden. Drittens werden uns genetische Ansätze (z. B. das konditionale Ausschalten einzelner miRNAs) genauere Antworten auf die Funktionen von miRNAs im Nervensystem von Säugetieren geben. Genetische Analysen in Würmern, Fliegen und Zebrafischen haben unser Wissen über miRNAs erheblich erweitert und haben viele Ergebnisse im Säugetiersystem vorausgesagt oder bestätigt. Schließlich müssen die kausalen Zusammenhänge zwischen miRNAs und neurologischen Erkrankungen geklärt werden, und diese Informationen sollten zur Entwicklung neuer therapeutischer Strategien genutzt werden.