MicroRNA, neuronal excitability and epilepsy

Mgr. Petra Bencúrová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Úvod: miRNA jsou významnými regulátory genové exprese, které v mozku ovlivňují řadu procesů. V posledním desetiletí se tyto krátké nekódující RNA ukázaly jako klíčové v epilepsii temporálního laloku (TLE). Přestože u pacientů s TLE převažuje nástup onemocnění v dětském věku, zůstává věk nástupu onemocnění v rostoucím počtu studií zabývajících se profilem miRNA u pacientů s TLE a zvířecích modelů opomíjen. Tato disertační práce popisuje experimentální hodnocení miRNA profilů u pacientů a potkaního modelu se zaměřením na věk nástupu TLE u obou druhů. Metody: Kombinací sekvenování a PCR validace jsme prozkoumali miRNA profily 33 pacientů s meziální TLE s hipokampální sklerózou a devíti post-mortem kontrol. Použitím stejné metodiky jsme zmapovali expresi miRNA v potkaním modelu TLE indukované podáním pilokarpinu v 12. (infantilní nástup; n = 30) a 60. (nástup v dospělosti; n = 30) postnatálním dni, a u věkově odpovídajících kontrol (n = 30 + 30). Expresi miRNA jsme u potkanů zkoumali ve třech stádiích epileptogeneze (akutním, latentním a chronickém). Pomocí bioinformatických nástrojů jsme určili předpokládané cíle regulované miRNA se změněnou expresí v TLE. Profily miRNA pacientů a zvířat s TLE byly porovnány se zaměřením na věk v čase nástupu TLE. Výsledky: Naše striktní analýzy identifikovaly 20 miRNA se změněnou expresí u pacientů s TLE (devět nově objevených v epilepsii) s předpokládanými cíli, které se podílejí na patologii TLE. Odhalili jsme značné rozdíly mezi typicky používaným modelem TLE s nástupem v dospělosti a nově popsaným profilem miRNA u TLE s nástupem v raném dětství. U pacientů jsme pozorovali podobný vztah mezi expresí miRNA a věkem v počátku TLE. Porovnání miRNA profilů obou druhů ukázalo jen minimální překryv mezi pacienty a potkaním modelem, vyskytující se většinou v případech s počátkem TLE v dospělosti. Závěr: Popsaný výzkum odhalil, že věk v čase nástupu TLE rozhoduje o expresi miRNA v hipokampu – epileptickém ložisku. Tento vztah se projevuje, jak u pacientů s TLE, tak u zvířecího modelu, přičemž ovlivňuje expresi miRNA v různých fázích progrese epilepsie. Kromě zdůraznění významu věku v počátku TLE jsme popsali profil miRNA u doposud největší skupiny pacientů s TLE. Navzdory omezenému překryvu profilů mezi pacienty s TLE a potkany jsou miRNA se změněnou expresí u obou druhů ideálními kandidáty pro zkoumání patologie a terapie TLE.

Abstract:

Background: miRNAs are prominent regulators of gene expression fine-tuning a variety of processes in the brain. These short non-coding RNAs have emerged in the last decade as key players in temporal lobe epilepsy (TLE). Despite the childhood-onset dominance in TLE patients, the onset age remains neglected in the growing pool of studies addressing miRNA profile in TLE patients and animal models. This thesis describes the miRNA profile assessment in patients and the rat model with the focus on the TLE onset age in both species. Methods: We investigated miRNA profiles of 33 patients with mesial TLE with hippocampal sclerosis and 9 post-mortem controls combining miRNA sequencing with PCR validation. Applying the same methodology, we addressed miRNA expression in a rat model of TLE induced by pilocarpine administration on a postnatal day 12 (infantile-onset; n = 30) and 60 (adult-onset; n =30), and age-matched controls (n = 30 + 30). We investigated miRNA expression in three stages of epileptogenesis (acute, latent, and chronic) in rats. Putative targets of miRNAs with altered expression in TLE were analysed using bioinformatic tools. miRNA profiles of patients and animals with TLE were compared with the focus on the TLE onset age. Results: Our stringent analyses identified 20 miRNAs dysregulated in TLE patients (9 newly discovered in epilepsy) with putative targets involved in TLE pathology. We uncovered vast differences between the typically used adult-onset TLE model and the newly described miRNA profile of the infantile-onset TLE in the rat. We observed a similar relationship between miRNA expression and the onset age in TLE patients. Comparing the miRNA profiles of both species, we showed that the overlap between patients and the rat model is limited, occurring mostly in adult-onset cases. Conclusions: The described research disclosed that TLE onset age determines miRNA expression in the hippocampus – the epileptic foci. This effect occurs in both TLE patients and animal models, whilst impacting miRNA expression through different stages of epilepsy progression. Besides stressing the importance of TLE onset age, we described the miRNA profile in the largest cohort of TLE patients to date. Despite the limited overlap in miRNA profiles of TLE patients and rats, the few commonly dysregulated miRNAs are ideal candidates for investigation in TLE pathology and therapy.

Keywords

miRNA profiling, temporal lobe epilepsy, patient, animal model, onset age, target prediction

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 7. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 21. 9. 2021
• Supervisor: prof. MUDr. Milan Brázdil, Ph.D.
• Reader: doc. Mgr. Jiří Šána, Ph.D., MUDr. Barbora Beňová, Ph.D., Dr Cristina Ruedell Reschke

Masaryk University

Faculty of Medicine

Doctoral programme / field:
Neurosciences / Neurosciences