Role of miRNAs in early brain development

Abstract

The brain is the most complex biological structure, from which our conscience emerges. During evolution, the increase in size and complexity of brains (especially the cortex) paved the way to a spectacular development of cognitive and mental abilities. This expansion facilitated the addition of microcircuits with a similar basic structure, which increased brain complexity and contributed to its uniqueness. Given that the final size and shape of an adult brain are determined by the behaviour of progenitor cells during early development, understanding the cellular and molecular mechanisms regulating these actions is fundamental to unravel of how the brain behaves in healthy and pathological conditions. Cellular mechanisms regulating brain formation have been widely studied; however, many of the molecules that control these mechanisms remain unknown. One of the most important mechanisms controlling the molecular program of progenitor cells involves miRNAs. These are molecules that bind specifically messenger RNA molecules, controlling their expression and abundance, and consequently controlling cellular fate. In this thesis we have investigated how microRNAs control brain development at early embryonic stages. Firstly, we studied how the absence of Dicer (enzyme required for miRNA maturation) impacts brain size and organization. We found that loss of miRNAs produces changes in cell proliferation and cell death, inducing the formation of proliferative rosettes. Next, we investigated which miRNAs were responsible for the defects observed after loss of Dicer, finding that let-7 is the family of miRNAs most affected. To understand which protein coding genes are responsible for the formation of rosettes and the other phenotypes found in Dicer mutants, we searched for differentially expressed genes in this condition that may be influenced by let-7 miRNAs. We found an increase in the expression of genes involved in signalling pathways regulating proliferation and cell death including Irs-2 and p53 respectively. Previous studies demonstrated that Irs-2 and p53 are regulated by let-7 and that stress signals upregulate Irs-2. We then found that in Dicer mutants an increase p53 activation (presumably increasing cell death) is necessary for producing rosettes. However, in wild-type animals rosettes can be generated overexpressing Irs-2 (which increases proliferation but not cell death) and this is rescued just by overexpressing let-7. These results suggest that high Irs-2 (direct or indirectly- through an increase in stress signals or a decrease in let-7) is sufficient to produce rosettes. We have identified a signalling pathway through which two antagonistic processes (cell death and proliferation) are linked by let-7 and whose deregulation leads to the disruption of brain germinal layers and the appearance of rosettes.

El cerebro es la estructura más compleja de la que somos conscientes (y la que nos permite tener conciencia). Durante la evolución, el aumento en el tamaño y la complejidad de los cerebros (especialmente la corteza) abrió el camino hacia un desarrollo espectacular en las habilidades cognitivas y mentales. Esta expansión facilitó la adición de microcircuitos con una estructura básica similar, lo que aumentó la complejidad y contribuyó a su singularidad. Dado que el tamaño y la forma final de un cerebro adulto son determinadas por acciones que ocurren durante el desarrollo temprano del telencéfalo, comprender los mecanismos celulares y moleculares que regulan estas acciones es fundamental para aumentar nuestro conocimiento sobre cómo se comporta el cerebro tanto en condiciones saludables como patológicas. Los mecanismos celulares que regulan la formación del cerebro han sido ampliamente estudiados; sin embargo, muchas de las moléculas que están tras estos mecanismos siguen sin ser identificadas. Una de las maquinarias más importantes para controlar el programa celular es la de los miARNs. Los miARNs son moléculas que se unen de forma específica al ARN mensajero, pudiendo controlar su expresión y la cantidad de los mismos, controlando así el destino celular. En esta Tesis hemos investigado cómo los microARNs controlan el desarrollo del cerebro a edades tempranas durante el desarrollo embrionario. En primer lugar hemos estudiado cómo la ausencia de Dicer (enzima necesaria para la maduración de miARNs) afecta al tamaño y a la organización del cerebro. Encontramos que la pérdida de miARNs produce cambios en proliferación y muerte celular así como la formación de rosetas proliferativas. A continuación, comprobamos qué miARNs eran responsables de los defectos observados tras la pérdida de Dicer, viendo que la familia más afectada era la de let-7. Seguidamente y para comprender qué genes son los responsables de la formación de rosetas y del resto de fenotipos encontrados en mutantes de Dicer, buscamos genes significativamente expresados en esta condición. Así descubrimos un aumento tanto en la expresión de genes implicados en vías de señalización que regulan proliferación y muerte celular, incluyendo Irs-2 y p53 respectivamente. Estudios previos han demostrado que Irs-2 y p53 están regulados por let-7. A continuación vimos que en los mutantes para Dicer es necesario un aumento en la muerte celular (a través de la activación de p53) para producir rosetas. Sin embargo, en animales silvestres se pueden generar rosetas sobreexpresando únicamente Irs-2 (que aumenta la proliferación pero no la muerte celular) y esto se rescata simplemente sobreexpresando let-7. Estos resultados sugieren que aumentando Irs-2 (directa o indirectamente a través de un aumento en las señales de estrés o a través de una disminución en let-7) es suficiente para producir rosetas. Hemos identificado una vía de señalización a través de la cual dos procesos antagónicos (muerte celular y proliferación) están vinculados por let-7 y cuya desregulación conduce a la alteración de las capas germinales del cerebro y la aparición de roseta