Zebrafish miR-1 and miR-133 shape muscle gene expression and regulate sarcomeric actin organization
Yuichiro MishimaCei Abreu‐GoodgerAlison A StatonCarlos StahlhutChong ShouChao ChengMark GersteinAnton J. EnrightAntonio J. Giráldez
163
Citation
56
Reference
10
Related Paper
Citation Trend
Abstract:
microRNAs (miRNAs) represent ∼4% of the genes in vertebrates, where they regulate deadenylation, translation, and decay of the target messenger RNAs (mRNAs). The integrated role of miRNAs to regulate gene expression and cell function remains largely unknown. Therefore, to identify the targets coordinately regulated by muscle miRNAs in vivo, we performed gene expression arrays on muscle cells sorted from wild type, dicer mutants, and single miRNA knockdown embryos. Our analysis reveals that two particular miRNAs, miR-1 and miR-133, influence gene expression patterns in the zebrafish embryo where they account for >54% of the miRNA-mediated regulation in the muscle. We also found that muscle miRNA targets (1) tend to be expressed at low levels in wild-type muscle but are more highly expressed in dicer mutant muscle, and (2) are enriched for actin-related and actin-binding proteins. Loss of dicer function or down-regulation of miR-1 and miR-133 alters muscle gene expression and disrupts actin organization during sarcomere assembly. These results suggest that miR-1 and miR-133 actively shape gene expression patterns in muscle tissue, where they regulate sarcomeric actin organization.Keywords:
Dicer
SnoRNAs are frequently processed into snoRNA-derived RNAs (sdRNAs) that function much like traditional microRNAs (miRNAs). That said, our analyses suggest a global switch from DICER-dependent (predominately miRNA) to DICER-independent (predominately sdRNA) biogenesis/gene regulation in colon cancer. Whereas the expressions of 259 of 288 appreciably expressed miRNAs are significantly decreased (avg. 6.4% of WT) in human colon cancer DICER-KOs, 95 of 103 sdRNAs are conversely, significantly increased (avg. 679.3%) in DICER-KOs as compared to WT. As many diseases are characterized by DICER deficiency, this putative global switch to DICER-independent sdRNA regulations may contribute to an array of human diseases.
Dicer
Small nucleolar RNA
Ribonuclease III
Drosha
Cite
Citations (4)
Vertebrates use adaptive mechanisms when exposed to physiologic stresses. However, the mechanisms of pigmentation regulation in response to physiologic stresses largely remain unclear. To address this issue, we developed a novel pigmentation model in adult zebrafish using coldwater exposure (cold zebrafish). When zebrafish were maintained at 17 °C, the pigmentation of their pigment stripes was reduced compared with zebrafish at 26.5 °C (normal zebrafish). In cold zebrafish, gene expression levels of tyrosinase and dopachrome tautomerase, which encode enzymes involved in melanogenesis, were down-regulated, suggesting that either down-regulation of melanin synthesis occurred or the number of melanophores decreased. Both regular and electron microscopic observation of zebrafish skin showed that the number of melanophores decreased, whereas aggregation of melanosomes was not changed in cold zebrafish compared with normal zebrafish. Taken together, we here show that cold exposure down-regulated adult zebrafish pigmentation through decreasing the number of melanophores and propose that the cold zebrafish model is a powerful tool for pigmentation research.
Melanosome
Melanophore
Morpholino
Cite
Citations (14)
The goal of this study was to evaluate if isolated sarcomeres and half-sarcomeres produce a long-lasting increase in force after a stretch is imposed during activation. Single and half-sarcomeres were isolated from myofibrils using micro-needles, which were also used for force measurements. After full force development, both preparations were stretched by different magnitudes. The sarcomere length (SL) or half-sarcomere length variations (HSL) were extracted by measuring the initial and final distances from the Z-line to the adjacent Z-line or to a region externally adjacent to the M-line of the sarcomere, respectively. Half-sarcomeres generated approximately the same amount of isometric force (29.0 ± SD 15.5 nN·μm(-2)) as single sarcomeres (32.1 ± SD 15.3 nN·μm(-2)) when activated. In both cases, the steady-state forces after stretch were higher than the forces during isometric contractions at similar conditions. The results suggest that stretch-induced force enhancement is partly caused by proteins within the half-sarcomere.
Cite
Citations (38)
Ten years ago, researchers obtained the first crystal structure of Dicer, a key enzyme in a biological process called RNA interference (RNAi). In RNAi, a process also known as gene silencing, a short RNA binds to mRNA, preventing mRNA's sequence from being transcribed into a protein. The determination of Dicer's structure by Jennifer A. Doudna of the University of California, Berkeley, and coworkers helped confirm how the enzyme processes RNA and thus advanced RNAi technology (Science 2006, DOI: 10.1126/science.1121638). More recently, Doudna and coworkers also helped discover CRISPR-Cas9, a technology with broader gene-editing applications. RNAi was discovered about 20 years ago by Andrew Z. Fire and Craig C. Mello when they were researchers at the Carnegie Institution of Washington. Fire and Mello won a 2006 Nobel Prize for this work because it revealed RNAi to be a previously unknown mechanism for gene regulation and opened up the potential for a
Cite
Citations (0)
MicroRNAs are short (~20nt to 25nt long) single – stranded RNA molecules that have emerged as important post- transcriptional regulators of gene expression. The maturation of miRNAs depends on either Dicer or Ago2. In this study, the role of Dicer in miR-144 maturation was investigated. MicroRNA 144 level in Dicer knock out cell lines was determined by real-time PCR. The results showed that miR-144 expression significantly decreased when Dicer was knocked out. This data suggests that the maturation of miR-144 is Dicer dependent.
Dicer
Ribonuclease III
Cite
Citations (0)
This chapter contains sections titled: RNAi as a Tool for Functional Genomics Mechanism of RNAi Dicer – the Initiator to "Dice" the dsRNA? miRNAs versus siRNAs: Two Classes of Small RNAs Using the RNAi Pathway? RISC – the Effector to "Slice" the mRNA? Are RNA-Dependent RNA Polymerases (RdRps) Responsible for the Catalytic Nature of RNAi? Is RNAi Involved in the Regulation of Gene Expression? RNAi in Mammals Practical Approaches References
Dicer
RNA Silencing
RNA-induced silencing complex
Trans-acting siRNA
DNA-directed RNA interference
Functional Genomics
Cite
Citations (0)
Cardiac muscle
Cite
Citations (0)
Οι καρδιαγγειακές παθήσεις αποτελούν στην εποχή μας μία από τις πρώτες αιτίες θανάτου στον ανεπτυγμένο κόσμο. Επίσης, πολύ σημαντική είναι η συμβολή της αγγειογένεσης στην ανάπτυξη των καρκινικών όγκων. Καθίσταται λοιπόν αναγκαία η συμβολή της βασικής έρευνας ώστε να μελετηθούν καλύτερα οι μηχανισμοί των παθήσεων αυτών αλλά και να ανακαλυφθούν νέα φάρμακα που σχετίζονται με την αγγειογένεση. Τα τελευταία χρόνια σημαντικό ρόλο παίζει προς αυτές τις κατευθύνσεις το ζωϊκό πρότυπο μοντέλο zebrafish. Το zebrafish (Danio rerio) χρησιμοποιείται ευρέως ως ζωικό μοντέλο για την κατανόηση της παθοφυσιολογίας των καρδιαγγειακών παθήσεων. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται ο καρδιακός φαινότυπος υποτροφικού κόλπου, myh6-/-, σε ενήλικα ψάρια, τα οποία φέρουν μετάλλαξη στη βαριά αλυσίδα κολπικής μυοσίνης του zebrafish. Οι ομόζυγοι φορείς επιβιώνουν μέχρι την ενηλικίωση και είναι γόνιμοι. Στα ενήλικα μεταλλαγμένα ψάρια, ο κόλπος παραμένει υποπλαστικός και εμφανίζει εναπόθεση ελαστίνης, ενώ οι κοιλίες παρουσιάζουν αυξημένο μέγεθος. Στα θηλαστικά, η υπερτροφία είναι ο συνηθέστερος μηχανισμός που οδηγεί σε καρδιομεγαλία. Χρησιμοποιώντας την ανοσοϊστοχημεία και συνεστιακή μικροσκοπία σάρωσης για να μετρήσουμε το μέγεθος, την πυκνότητα και τον πολλαπλασιασμό των καρδιομυοκυττάρων, αποδεικνύεται ότι η μεγέθυνση της κοιλίας myh6-/- οφείλεται κατά κύριο λόγο στην υπερπλασία. Εντούτοις, εντοπίσαμε παρόμοια μεταγραφικά προφίλ στην απόκριση υπερτροφίας θηλαστικών μέσω RT-PCR των υπερπλαστικών κοιλιών. Περαιτέρω, δείχνουμε την ενεργοποίηση της οδού του στρες-ΕΔ με ανάλυση ανοσοαποτυπώματος κατά Western. Συμπερασματικά, μπορούμε να υποθέσουμε, με βάση το μοντέλο μας, ότι μονοπάτια μοριακής σηματοδότησης που συνδέονται με την υπερτροφία στα θηλαστικά, σε συνδυασμό με την ενεργοποίηση του στρες-ΕΔ, καταλήγουν σε υπερπλασία στο zebrafish. Επιπλέον, αυτή είναι η πρώτη φορά που αναφέρθηκε η εναπόθεση ελαστίνης στον κόλπο. Παράλληλα, μελετήθηκαν μικρά μόρια που αναστέλλουν την αγγειογένεση και είναι ελπιδοφόρα υποψήφια φάρμακα για τον καρκίνο, τις αμφιβληστροειδοπάθειες και τον εκφυλισμό της ωχράς κηλίδας που σχετίζεται με την ηλικία. Η in vivo φαινοτυπική διαλογή σε zebrafish (Danio rerio) αναδεικνύεται ως μια ισχυρή μεθοδολογία για την ταυτοποίηση και βελτιστοποίηση νέων ενώσεων με φαρμακολογική δράση. Το zebrafish παρέχει αρκετά πλεονεκτήματα για τις in vivo φαινοτυπικές παρατηρήσεις ειδικά για την αγγειογένεση, καθώς αναπτύσσεται ταχέως και δεν βασίζεται σε λειτουργικό καρδιαγγειακό σύστημα για να επιβιώσει για αρκετές ημέρες κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούμε μια διαγονιδιακή σειρά που επιτρέπει τη μη επεμβατική παρακολούθηση της αγγειογένεσης σε κυτταρικό επίπεδο. Η αναστολή της αγγειογένεσης μπορεί να παρατηρηθεί κάτω από ένα στερεοσκόπιο φθορισμού και να ποσοτικοποιηθεί. Εκμεταλλευόμενοι τις δυνάτοτητες του zebrafish, χρησιμοποιήσαμε μια σειρά από 60 καινοτόμες ενώσεις που σχεδιάστηκαν με βάση την αναστολή του υποδοχέα VEGFR2. Στα πειράματα αυτά μπορεί να να υπολογιστεί η συγκέντρωση στην οποία προκαλείται τοξικότητα και να καταδειχθούν πιθανές παρενέργειες των υπό εξέταση ουσιών. Με αυτόν τον τρόπο αποκαλύφθηκαν 6 αντιστρεπτοί αναστολείς της αγγειογένεσης. Τέλος, στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιχειρήθηκε να ανιχνευθούν γονίδια τα οποία παίζουν ρόλο στη μορφογένεση των καρδιακών βαλβίδων και να αποδειχθεί η σχέση τους μέσω στοχευμένης μεταλλαξιγένεσης με τη βοήθεια του συστήματος CRISPR-Cas και να δημιουργηθεί μια διαγονιδιακή σειρά zebrafish που να αποκρίνεται στις αλλαγές της διατμητικής τάσης. Συμπερασματικά, από την παρούσα διατριβή προκύπτει η μεγάλη δυνατότητα του zebrafish για ανασύσταση/αναδιαμόρφωση της καρδιάς του σε παθολογικές καταστάσεις και αποδεικνύεται η ικανότητά του να χρησιμοποιείται ως ιδανικό μοντέλο για τη μελέτη των καρδιαγγειακών παθήσεων.
Danio
Cite
Citations (0)
RNAi means gene silencing triggered by double-stranded RNA. Through the study of flies, bugs, fungi and plants, the mechanism of RNAi has been confirmed. The key player in RNAi is small interference RNA(siRNA) generated by Dicer. Now more and more evidences show that application of RNAi plays an important role in biotechnology and will be useful for treating human genetic disease.
Dicer
RNA Silencing
Trans-acting siRNA
Ribonuclease III
Cite
Citations (0)
When a stretch is imposed to activated muscles, there is a residual force enhancement that persists after the stretch; the force is higher than that produced during an isometric contraction in the corresponding length. The mechanisms behind the force enhancement remain elusive, and there is disagreement if it represents a sarcomeric property, or if it is associated with length nonuniformities among sarcomeres and half-sarcomeres. The purpose of this study was to investigate the effects of stretch on single sarcomeres and myofibrils with predetermined numbers of sarcomeres ( n = 2, 3. . . , 8) isolated from the rabbit psoas muscle. Sarcomeres were attached between two precalibrated microneedles for force measurements, and images of the preparations were projected onto a linear photodiode array for measurements of half-sarcomere length (SL). Fully activated sarcomeres were subjected to a stretch (5–10% of initial SL, at a speed of 0.3 μm·s −1 ·SL −1 ) after which they were maintained isometric for at least 5 s before deactivation. Single sarcomeres showed two patterns: 31 sarcomeres showed a small level of force enhancement after stretch (10.46 ± 0.78%), and 28 sarcomeres did not show force enhancement (−0.54 ± 0.17%). In these preparations, there was not a strong correlation between the force enhancement and half-sarcomere length nonuniformities. When three or more sarcomeres arranged in series were stretched, force enhancement was always observed, and it increased linearly with the degree of half-sarcomere length nonuniformities. The results show that the residual force enhancement has two mechanisms: 1) stretch-induced changes in sarcomeric structure(s); we suggest that titin is responsible for this component, and 2) stretch-induced nonuniformities of half-sarcomere lengths, which significantly increases the level of force enhancement.
Cite
Citations (54)