Research Collection Doctoral Thesis The pancreatic islet-enriched micrornas, mir-141/200c, regulate beta cell survival and mass Author(s): Spranger, Martina Publication Date: 2011 Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-006499335 Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library
DISS. ETH Nr. 19584 The pancreatic islet-enriched micrornas, mir-141/200c, regulate beta cell survival and mass ABHANDLUNG zur Erlangung des Titels DOKTORIN DER WISSENSCHAFTEN der ETH ZÜRICH vorgelegt von Martina Spranger Dipl. Biotechnol., TU Braunschweig 21.10.1982 Deutschland Angenommen auf Antrag von Prof. Dr. Markus Stoffel Prof. Dr. Wilhelm Krek Prof. Dr. Pedro L. Herrera Prof. Dr. Lucas Pelkmans 2011
Abstract Elucidating the function of mir- 141/200 in the pancreatic beta cell MicroRNAs are short, approximately 22 nt long non- coding RNAs that are thought to be involved in a number of evolutionary conserved regulatory pathways 1, 2. Approximately 670 (mirbase Jan11) micrornas have been identified in the mouse but only few of them have been assigned a function. It is known that a single microrna can control up to 200 genes, moreover, one gene can have multiple mirna recognition sites 3. Initial studies conducted in our lab have revealed a role of mir- 375, the most abundant microrna in the pancreatic beta cell in maintaining normal beta cell mass 4. Thus, we chose to investigate the function of other highly abundant and specific beta- cell micrornas - in particular the mir- 200 family. Expression analysis of mir- 141/200c revealed a predominant expression in endocrine organs, such as pancreatic islets, pituitary and gastrointestinal tract. Specific overexpression of these micrornas in the pancreatic beta cell in mice leads to an insulin- dependent diabetes phenotype. Mice expressing mir- 141/200c under the control of the rat insulin promoter become overtly hyperglycemic within two months as a result of profoundly reduced plasma insulin levels. At late stages the typical symptoms of insulin deficiency, such as ketoacidosis, increased triglycerides and loss of adipose tissue manifest. Furthermore total pancreatic insulin content is highly reduced. The severe insulinopenia can be explained by a progressive loss of pancreatic beta cell mass due to increased beta cell apoptosis. Known negative regulators of apoptosis and ER stress were identified as direct mir- 141/200c targets. In addition to the overexpression model, we also generated a mir- 141/200c loss of function model. These mice lack mir- 141/200c expression in all tissues and do not show an 9
apparent phenotype neither on chow nor on HFD. This might be indicative of a potential compensatory effect by the remaining mir- 200 family members or might simply reflect the fact that beta cells are generally not subject to apoptosis. Our findings provide first genetic proof of the pancreatic islet- enriched mir- 141/200c cluster to be an important regulator of beta cell mass which might therefore emerge as a target in treating type 1 and 2 diabetes. 10
Zusammenfassung Funktionelle Charakterisierung der micrornas mir- 141/200c in der pankreatischen Beta- Zelle MicroRNAs gehören zur Klasse der kurzen, nicht kodierenden RNAs, von denen man weiβ, dass sie an einer Reihe von evolutionär konservierten Regulationswegen beteiligt sind. Etwa 670 micrornas (mirbase Jan11) wurden bislang in der Maus identifiziert, aber nur wenigen konnte eine Funktion zugeordnet werden. Dies ist vor allem der Tatsache geschuldet, dass eine einzige microrna bis zu 200 Gene zu regulieren vermag und ein Gen wiederum mehrere microrna- Bindestellen besitzen kann. Erste Untersuchungen, durchgeführt in unserem Labor, enthüllten eine Rolle von mir- 375, der am höchsten exprimierten microrna in der Beta- Zelle, in der Aufrechterhaltung normaler Betazellmasse. Deshalb lag es nahe weitere ebenfalls hoch exprimierte micrornas in der pankreatischen Beta Zelle zu erforschen, dabei fielen besonders die Mitglieder der mir- 200 Familie auf. Eine genauere Untersuchung ergab eine spezifische Lokalisation von mir- 141/200c in neuro- endokrinen Organen, wie den pankreatischen Inselzellen, der Hypophyse und im Magen- Darm- Trakt. Beta- Zell spezifische Überexpression der beiden micrornas führt in Mäusen zur Entwicklung einer insulinabhängigen Diabetes Mellitus Erkrankung. Jene Mäuse, welche mir- 141/200c unter dem Ratten- Insulin Promoter exprimieren, werden infolge eines drastisch reduzierten Plasmainsulinspiegels binnen der ersten 2- Lebensmonate hyperglykämisch. Während der späteren Phasen der Erkrankung manifestieren sich die klassischen Symptome eines dauerhaften Insulinmangels, nämlich Ketoazidose, erhöhte Plasmatriglyzeridwerte und ein fast völliger Verlust des Fettgewebes. Darüber hinaus ist der Insulingehalt des gesamten Pankreas stark reduziert. Die schwere Insulinopenie erklärt sich durch einen zu 11
beobachtenden, fortschreitenden Verlust pankreatischer Betazellenmasse infolge erhöhter Beta- Zell- Apoptose. Bekannte Negativregulatoren von Apoptose und ER- Stress konnten als direkte mir- 141/200c Zielgene identifiziert werden. Zusätzlich zu unserem Überexpressionsmodell generierten wir eine mir- 141/200c ˈknockoutˈ Maus. Diesen Mäusen fehlt eine Expression von mir- 141/200c in allen Geweben, sie zeigen dennoch keinen offensichtlichen metabolischen Phänotyp auf Normalfutter oder Hoch- Fett- Diät. Dies könnte ein Indiz für eine mögliche kompensatorische Wirkung durch verbleibende mir- 200 Familienmitglieder wiederspiegeln oder einfach der Tatsache, dass Beta- Zellmasse nicht primär durch Apoptose reguliert wird, geschuldet sein. Unsere Ergebnisse liefern die ersten genetischen Beweise, dass die in pankreatischen Betazellen angereicherte mir- 141/200c ein wichtiger Regulator der Betazellmasse ist, und identifiziert dadurch ein neues pharmakologisches Target für Möglichkeit einer Behandlung des Typ 1 und Typ 2 Diabetes. 12