MicroRNA-mediated regulation of Cadm1 contributes to beta cell function and energy homeostasis

Abstract

MicroRNAs (miRNAs) belong to a class of small non-coding RNAs that are implicated in the post-transcriptional regulation of gene expression. Many insights have been made during the past decade into the regulatory function of the miRNA pathway in health and disease. In the present study, we established Argonaute2 (Ago2), a central mediator of the miRNA pathway, as an important regulator of beta cell function. Loss of Ago2 resulted in decreased proliferation of beta cells and increased glucose-stimulated insulin secretion (GSIS). Furthermore, we could show that Ago2 mediates the function of miR- 375, a highly abundant miRNA in beta cells, further highlighting the close relationship between these two genes. A small-scale siRNA-based screen revealed that multiple target genes of miR-375 orchestrate GSIS. Furthermore, using a SILAC based quantitative mass spectrometry approach, we could identify about 50 unique proteins that are co-secreted along with insulin that may have autocrine or paracrine functions. Among the numerous predicted targets of miR-375, the cell adhesion molecule 1 (Cadm1) emerged as a suppressor of beta cell proliferation. Interestingly, Cadm1 also exhibits an important regulatory role in the central regulation of glucose homeostasis. Loss of Cadm1 in Vglut2-positive neurons resulted in decreased body weight, increased hepatic insulin sensitivity, increased energy expenditure and protected from diet as well as genetically induced obesity. To our knowledge, we for the first time established a role for a cell adhesion molecule as an important regulator of glucose homeostasis by modulating neuronal circuits and the composition of the active zone within synapses. Furthermore, we could highlight that Cadm1 expression is regulated in response to changes in insulin sensitivity in the hippocampus, emphasizing the adaptive responses of tissues to maintain energy homeostasis. Future studies will address how changes in circulating hormones and nutrients translate into tissue-specific adaptive responses in gene expression and shed light on the complex network between different cell types in order to maintain energy balance. Lastly, the biological significance of the miRNA pathway in these processes remains to be studied in greater detail that may be crucial for therapeutic intervention.

MicroRNAs (miRNAs) gehören zu der Klasse nicht-kodierender RNAs und sind an der post-translationalen Regulation der Genexpression beteiligt. Verschiedene Arbeiten konnten bereits zeigen, dass miRNAs eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Zellfunktion haben und auch an der Entstehung von Krankheiten beteiligt sind. In der hier vorgelegten Arbeit konnten wir zeigen, dass Argonaute2 (Ago2), ein wichtiger Bestandteil des miRNA Signalweges, an der Regulation des Betazellfunktion beteiligt ist. Der Verlust von Ago2 Expression in Mäusebetazellen resultierte in verringerter Zellproliferation und verstärkter Freisetzung von Insulin nach Stimulation mit Glukose. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass Ago2 die Funktion von miR-375, einer stark exprimierten miRNA in Betazellen, vermittelt. Dies verdeutlicht den funktionellen Zusammenhang von miR-375 und Ago2. Ein Screening von siRNAs in einer Betazellinie hat gezeigt, dass mehrere Zielgene von miR-375 an der Regulation der Insulinfreisetzung beteiligt sind. Zusätzlich konnten wir mittels Massenspektrometrie 50 Proteine identifizieren, die zusammen mit Insulin in Abhängigkeit von Glukose sezerniert werden und unter Umständen die Funktion von Betazellen und anderen Organen beeinflussen. Das Zelladhesionsmolekül Cadm1 ist ein wichtiges Zielgen von miR-375 und spielt eine wichtige Rolle bei der Proliferation von Betazellen. Interessanterweise, ist Cadm1 auch ein wichtiger Faktor bei der Regulation der Glukosehomöostase. Der Expressionsverlust von Cadm1 in Vglut2-positiven Neuronen von Mäusen, führt zu einem verringerten Körpergewicht, einem erhöhten Energieumsatz und schützt vor Adipositas. Somit konnten wir erstmalig zeigen, dass ein Zelladhäsionsmolekül ein wichtiger Bestandteil der Glukosehomöostase ist und an der Regulation von neuronalen Netzwerken beteiligt ist. Zusätzlich konnten wir darlegen, dass die Cadm1 Expression in Abhängigkeit von der Insulin- Sensitivität variiert und unterstreicht die adaptiven Eigenschaften von Geweben um den Energiehaushalt aufrecht zu erhalten. Zukünftige Studien werden an unsere Arbeit anknüpfen und adressieren wie Veränderungen in Hormon- und Nährstoffkonzentrationen zu gewebsspezifischen Anpassungen in der Genexpression führen können. Dabei wird auch der miRNA Signalweg als wichtiger Bestandteil der Regulation und Aufrechterhaltung der Zellfunktion von entscheidender Bedeutung sein und stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Behandlung von Krankheiten dar.