miRNA in the regulation of synaptic function

Abstract

miRNAs are a class of small non-coding RNAs with about 22 nucleotides, that play a critical role in posttranscriptional regulation of gene expression, through mRNA degradation or translation repression. Generally, miRNAs recognize the 3’ UTR of the target mRNAs by a partial and imperfect base-pairing except on the seed region, where a nearly perfect pairing occurs. These features provide to each miRNA pairing specificity and the capacity to regulate many mRNAs, allowing the establishment of a vast regulatory RNA network with flexible control of mRNA expression. Thus, it is not surprising that the miRNA system regulates processes such as neuronal development and synaptic plasticity. In fact, several miRNAs have been shown to locally regulate dendritic arborisation, spine growth and remodelling by targeting cytoskeleton regulators; and regulate also synaptic strength by directly targeting AMPA receptors or by targeting proteins involved in their trafficking. At synapses, changes in neuronal activity induce alterations on miRNAs levels, suggesting that neuronal-activity dependent regulation of miRNAs fine-tunes translation in response to synaptic plasticity, which underlies learning and memory formation. Dysregulation of this mechanism may ultimately contribute to the pathogenesis of cognitive impairments and neurodevelopment disorders. Therefore, it is important to clarify the functional role of miRNAs in different paradigms of neuronal activity. Previous results from our group show that neuronal activity blockade in hippocampal neurons rapidly downregulates both miRNA-132 and miRNA-186 levels, suggesting that these miRNAs may participate in activity-regulated processes. Considering this indication, further studies were conducted about the expression pattern of these miRNAs in the hippocampus throughout development, how they are regulated by different paradigms of activity and what their impact is on synaptic function. During neurodevelopment, both miRNA-132 and miRNA-186 have an increase on their expression levels. Conversely to miRNA-132, whose levels increase gradually but steadily in the hippocampus during development, miRNA-186 expression is stable in the first four postnatal weeks, and it expression increases steeply thereafter. Neuronal depolarization and cLTP regulate miRNA-132 expression levels, promoting an increase on its levels in cultured hippocampal neurons. On the other hand, mGluR-dependent LTD results in a rapid decrease on the expression levels of miRNA-186. Inhibition of miRNA-186 produced no effects on the amplitude or frequency of miniature excitatory postsynaptic currents in cultured hippocampal neurons, indicating that under basal conditions miRNA-186 does not affect synaptic function, but suggesting that this miRNA-186 may be relevant during synaptic plasticity. These results corroborate the idea that during synaptic plasticity differentsubsets of miRNAs can be regulated differently, thereby fine-tuning the neuronal response to activity.

Os miRNAs são uma classe de pequenos RNA não codificantes com cerca de 22 nuleótidos, cruciais na regulação pós-transciptional da expressão de genes, tanto através da degradação do mRNA como da repressão da síntese proteica. Os miRNAs reconhecem geralmente locais na 3’UTR dos mRNAsalvo, onde se ligam de forma parcial excepto na seed region, onde a ligação é quase perfeita. Desta forma, a ligação mRNA-miRNA, para além de conferir especificidade, possibilita também que apenas um miRNA possa regular vários mRNAs, permitindo a criação de uma vasta rede de regulação do RNA com um controlo flexível da expressão de mRNA. Por esta razão, não é surpreendente que o sistema estabelecido pelos miRNA regule processos como o desenvolvimento neuronal e a plasticidade sináptica. De facto, vários miRNAs têm sido descritos como reguladores: da arborização dendrítica, do crescimento e da plasticidade de espículas, ao modularem a expressão de reguladores do citoesqueleto. Por outro lado, os miRNA podem regular a função sináptica, podendo ter como alvos diretos os recetores AMPA ou regulando os mesmos indiretamente, através de modelação de proteínas envolvidas no tráfego destes receptores. De notar, modificações na atividade neuronal podem promover o ajustamento nos níveis de miRNAs, sugerindo que uma regulação induzida por atividade promove o controlo preciso da síntese proteica em resposta à plasticidade sináptica, a qual está na base da aprendizagem e formação de memórias. Como consequência, a desregulação deste mecanismo pode contribuir para o aparecimento de disfunções cognitivas e de distúrbios psiquiátricos, sendo por isso importante clarificar as funções dos miRNAs nos diferentes paradigmas de atividade. Resultados preliminares do nosso grupo mostram que bloqueio na atividade neuronal, em neurónios do hipocampo, rapidamente promove a diminuição nos níveis de ambos os miRNA-132 e miRNA- 186, sugerindo que estes poderão participar em processos regulados por atividade. Tendo por base estes factos, foram realizados estudos complementares para determinar a expressão destes miRNAs, no hipocampo, ao longo do desenvolvimento, como são regulados por diferentes paradigmas de atividade e, consequentemente, os seus impactos na função sináptica. De facto, durante o desenvolvimento neuronal, a expressão de ambos os miRNA-132 e miRNA- 186 aumenta. Contrariamente ao miRNA-132, cujos níveis aumentam gradualmente mas de forma constante, no hipocampo, durante todo o desenvolvimento, a expressão do miRNA-186 é estável nas primeiras quarto semanas pós-natais, aumentado acentuadamente posteriormente. Despolarização neuronal bem com o cLTP regulam positivamente os níveis do miRNA-132, aumentando a sua expressão em neurónios do hipocampo. Pelo contrário, LTD dependente de mGLuRs resulta numa rápida diminuição nos níveis de expressão do miRNA-186. Não obstante, ainibição do miRNA-186 não promoveu quaisquer alterações na amplitude ou frequência de correntes miniatura excitatórias pós-sinápticas em neurónio do hipocampo, indicando que em condições basais, o miRNA-186 não afeta a função sináptica, mas no entanto sugerindo que este miRNA poderá ser relevante durante a plasticidade sináptica. Desta forma, os resultados corroboram a ideia de que durante a plasticidade sináptica diversos conjuntos de miRNAs podem ser regulados diferentemente, e portanto, uma regulação precisa à resposta neuronal à atividade.