MicroRNA mimics as novel therapeutics for psychiatric disorders

Manashirov, Sharon (2024): MicroRNA mimics as novel therapeutics for psychiatric disorders: the case of microRNA-135. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

The pathophysiology of major depressive disorder (MDD) and the response to antidepressants are suggested to be influenced, at least partially, by epigenetic mechanisms that regulate transcription and translation. These molecular processes are crucial in mediating adaptive or maladaptive changes in the brain. Environmental factors play a significant role in the development and etiology of depression, and epigenetic mechanisms are considered to mediate the mechanistic link between genetic predisposition and environmental factors. Among the well-studied mechanisms of epigenetic regulation are non-coding RNAs, particularly microRNAs (miRNAs). Recent data have provided evidence linking changes in miRNA regulation or function to several psychiatric disorders, including MDD. Selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs), which enhance serotonin (5-HT) signaling, are widely used antidepressant drugs. Consequently, the role of microRNAs (miRNAs) in the serotonergic system has been extensively studied. A comprehensive study conducted by Issler et al. (2014) compared the levels of miR-135 in the blood and brain samples of major depressive disorder (MDD) patients and healthy individuals, demonstrating lower levels in the depressed group. Additionally, miR-135 was identified as a potent regulator within the serotonergic system. Both cell culture and animal studies have demonstrated that miR-135 directly controls the levels of serotonin transporter (SERT) and 5-HT1A receptor (5-HT1AR) transcripts. In mice, intentionally increasing miR-135 specifically in serotonergic neurons resulted in outcomes similar to those of antidepressants and anti-anxiety medications. Conversely, decreasing miR-135 had the opposite effect, increasing anxiety-like behaviors and diminishing the response to antidepressant drugs. These findings indicate that miR-135 could be a potential therapeutic target for the treatment of anxiety and depression. In the current research thesis, I investigated the molecular and behavioral effects, previously observed in a transgenic mouse model that specifically overexpressed miR-135 in serotonergic neurons of the dorsal raphe nucleus (DRN), using synthetic version of miR-135, known as a miRNA mimic. We administered the miR-135 mimic directly to the DRN, to the CSF intracerebroventricularly (ICV) or via intranasal administration and examined its effect on the functionality of the serotonergic system, the expression levels of miR-135 target genes, and its antidepressant and anxiolytic-like effects in mouse models. Our results provide strong evidence supporting the potential of miR-135 mimic as a novel antidepressant drug. The design and screening of the miR-135 mimic was based on the endogenous antisense sequence of miR-135 coupled with different sense sequences and chemical modifications. We demonstrated that the type and location of these modifications can influence the compound's efficacy and its potential to activate innate immune responses. Moreover, to address the challenge of delivering oligonucleotides to the brain, we covalently conjugated the double-stranded miRNA mimic with a small molecule drug (Sertraline). This conjugated compound exhibited selective accumulation in the targeted brain area, specifically the dorsal raphe, following non-invasive intranasal administration in mice. Taking together, the results obtained in the pharmacological, molecular and behavioral experiments presented in this thesis strongly emphasized that miRNAs-based molecules and more specifically miR-135 mimic can serve as potential treatment for MDD.

Abstract

Die Pathophysiologie einer schweren depressiven Störung (Major Depression Disorder - MDD) und die Reaktion auf Antidepressiva werden voraussichtlich zumindest teilweise durch epigenetische Mechanismen beeinflusst, die die Transkription und Translation regulieren. Diese molekularen Prozesse sind entscheidend für die Vermittlung von adaptiven oder maladaptiven Veränderungen im Gehirn. Umweltfaktoren spielen eine wesentliche Rolle bei der Entwicklung und Ätiologie von Depressionen, und es wird davon ausgegangen, dass epigenetische Mechanismen den Zusammenhang zwischen genetischer Veranlagung und Umweltfaktoren vermitteln. Zu den gut untersuchten Mechanismen der epigenetischen Regulierung gehören nicht-kodierende RNAs, insbesondere microRNAs (miRNAs). Jüngste Daten haben Belege dafür geliefert, dass Veränderungen in der miRNA-Regulierung oder -Funktion mit verschiedenen psychiatrischen Störungen, einschließlich Major Depression, in Verbindung stehen. Selektive Serotonin-Wiederaufnahme-Hemmer (Selective Serotonin Reuptake Inhibitor, SSRI), die die Serotonin (5-HT) -Signalübertragung verstärken, sind weit verbreitete Antidepressiva. Daher wurde die Rolle der microRNAs (miRNAs) im serotonergen System eingehend untersucht. Eine umfassende Studie, die von Issler et al. (2014) durchgeführt wurde, verglich die Werte von miR-135 durch Blut und Gehirnproben von Patienten mit Major Depression (MDD) und gesunden Personen und stellte fest, dass die Werte in der depressiven Gruppe niedriger waren. Darüber hinaus wurde miR-135 als starker Regulator innerhalb des serotonergen Systems identifiziert. Sowohl Zellkultur- als auch Tierstudien haben gezeigt, dass miR-135 die Niveaus der Serotonintransporter (SERT) und die Transkriptionen der 5-HT1A-Rezeptoren (5-HT1AR) direkt kontrolliert. Bei Mäusen führte die absichtliche Erhöhung von miR-135 speziell in serotonergen Neuronen zu ähnlichen Ergebnissen wie die Wirkung von Antidepressiva und Medikamenten gegen Angstzustände. Umgekehrt hatte eine Verringerung von miR-135 den gegenteiligen Effekt, indem es angstähnliche Verhaltensweisen verstärkte und die Reaktion auf antidepressive Medikamente verringerte. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass miR-135 ein potenzielles therapeutisches Ziel für die Behandlung von Angstzuständen und Depressionen sein könnte. In der aktuellen Forschungsarbeit untersuchte ich die molekularen und verhaltensbezogenen Effekte, die zuvor in einem transgenen Mausmodell beobachtet wurden, das miR-135 in serotonergen Neuronen des dorsalen Raphe-Kerns (DRN) spezifisch überexprimierte, unter Verwendung einer synthetischen Version von miR-135, die als miRNA-Mimik bekannt ist. Wir verabreichten die miR-135-Mimik direkt in den DRN, in den Liquor intrazerebroventrikulär (ICV) oder über eine intranasale Verabreichung und untersuchten seine Wirkung auf die Funktionalität des serotonergen Systems, die Expressionsniveaus von miR-135-Zielgenen und seine antidepressiven und anxiolytischen Wirkungen in Mausmodellen. Unsere Ergebnisse liefern überzeugende Beweise für das Potenzial der miR-135-Mimik als ein neuartiges Antidepressivum. Das Design und das Screening der miR-135-Mimik basierte auf der endogenen Antisense-Sequenz von miR-135, die mit verschiedenen Sense-Sequenzen und chemischen Modifikationen gekoppelt wurde. Wir haben gezeigt, dass die Art und der Ort dieser Modifikationen die Wirksamkeit des Wirkstoffs und sein Potenzial zur Aktivierung angeborener Immunreaktionen beeinflussen können. Um die Herausforderung zu meistern, Oligonukleotide in das Gehirn zu bringen, haben wir die doppelsträngige miRNA-Mimik mit einem niedermolekularen Medikament (Sertralin) kovalent konjugiert. Diese konjugierte Verbindung zeigte nach nicht-invasiver intranasaler Verabreichung bei Mäusen eine selektive Anreicherung in der anvisierten Hirnregion, insbesondere in dem dorsalen Raphe-Kern. Zusammenfassend unterstreichen die Ergebnisse der pharmakologischen, molekularen und verhaltensbiologischen Experimente, die in dieser Dissertation vorgestellt werden, dass Moleküle auf der Basis von miRNAs und insbesondere miR-135-Mimik als potenzielle Behandlung für MDD dienen können.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 9. Oktober 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Roßner, Moritz