Abstract MicroRNAs (miRNAs) are small noncoding RNA molecules that regulate protein expression by targeting the mRNA of protein-coding genes for either cleavage or repression of translation. The roles of miRNAs in lineage determination and proliferation as well as the location of several miRNA genes at sites of translocation breakpoints or deletions has led to the speculation that miRNAs could be important factors in the development or maintenance of the neoplastic state. Here we show that the highly malignant human brain tumor, glioblastoma, strongly overexpresses a specific miRNA, miR-21. Our studies show markedly elevated miR-21 levels in human glioblastoma tumor tissues, early-passage glioblastoma cultures, and in six established glioblastoma cell lines (A172, U87, U373, LN229, LN428, and LN308) compared with nonneoplastic fetal and adult brain tissues and compared with cultured nonneoplastic glial cells. Knockdown of miR-21 in cultured glioblastoma cells triggers activation of caspases and leads to increased apoptotic cell death. Our data suggest that aberrantly expressed miR-21 may contribute to the malignant phenotype by blocking expression of critical apoptosis-related genes.

Several hundred microRNAs (miRNAs) have recently been cloned from a wide range of organisms across phylogeny. Despite the high degree of conservation of miRNAs, their functions in general, and in mammals particularly, are just beginning to be defined. Here we show that an oligonucleotide DNA array can be successfully used for the simultaneous analysis of miRNA expression profiles from tissues or cells. From a subset of miRNAs expressed in the brain we designed an oligonucleotide array spotted with probes specific for 44 mature miRNAs. These arrays demonstrated precise regulation of miRNA expression at mammalian brain developmental epochs. About 20% of the probed miRNAs changed significantly in their expression during normal brain development, and two of them, miR-9 and miR-131, were dysregulated in presenilin-1 null mice exhibiting severe brain developmental defects. Transcripts with regulated expression patterns on the arrays were validated by Northern blots. Additionally, a bioinformatic analysis of developmentally regulated miRNAs suggested potential mRNA targets. The arrays also revealed miRNAs distributed to translating polyribosomes in primary neurons where they are likely to modulate translation. Therefore, oligonucleotide arrays provide a new tool for studying miRNA expression in a variety of biological and pathobiological settings. Creating clusters of coexpressed miRNAs will contribute to understanding their regulation, functions, and discovery of mRNA targets.

Substantial data indicate that microRNA 21 (miR-21) is significantly elevated in glioblastoma (GBM) and in many other tumors of various origins. This microRNA has been implicated in various aspects of carcinogenesis, including cellular proliferation, apoptosis, and migration. We demonstrate that miR-21 regulates multiple genes associated with glioma cell apoptosis, migration, and invasiveness, including the RECK and TIMP3 genes, which are suppressors of malignancy and inhibitors of matrix metalloproteinases (MMPs). Specific inhibition of miR-21 with antisense oligonucleotides leads to elevated levels of RECK and TIMP3 and therefore reduces MMP activities in vitro and in a human model of gliomas in nude mice. Moreover, downregulation of miR-21 in glioma cells leads to decreases of their migratory and invasion abilities. Our data suggest that miR-21 contributes to glioma malignancy by downregulation of MMP inhibitors, which leads to activation of MMPs, thus promoting invasiveness of cancer cells. Our results also indicate that inhibition of a single oncomir, like miR-21, with specific antisense molecules can provide a novel therapeutic approach for "physiological" modulation of multiple proteins whose expression is deregulated in cancer.

Expression of miR-124, a microglial microRNA, reduces disease in a mouse model of multiple sclerosis by inhibiting the transcription factor C/EBP-α and its downstream target PU.1. MicroRNAs are a family of regulatory molecules involved in many physiological processes, including differentiation and activation of cells of the immune system. We found that brain-specific miR-124 is expressed in microglia but not in peripheral monocytes or macrophages. When overexpressed in macrophages, miR-124 directly inhibited the transcription factor CCAAT/enhancer-binding protein-α (C/EBP-α) and its downstream target PU.1, resulting in transformation of these cells from an activated phenotype into a quiescent CD45low, major histocompatibility complex (MHC) class IIlow phenotype resembling resting microglia. During experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), miR-124 was downregulated in activated microglia. Peripheral administration of miR-124 in EAE caused systemic deactivation of macrophages, reduced activation of myelin-specific T cells and marked suppression of disease. Conversely, knockdown of miR-124 in microglia and macrophages resulted in activation of these cells in vitro and in vivo. These findings identify miR-124 both as a key regulator of microglia quiescence in the central nervous system and as a previously unknown modulator of monocyte and macrophage activation.

MicroRNAs (miRNAs) are recently discovered small non-coding transcripts with a broad spectrum of functions described mostly in invertebrates. As post-transcriptional regulators of gene expression, miRNAs trigger target mRNA degradation or translational repression. Although hundreds of miRNAs have been cloned from a variety of mammalian tissues and cells and multiple mRNA targets have been predicted, little is known about their functions. So far, a role of miRNA has only been described in hematopoietic, adipocytic, and muscle differentiation; regulation of insulin secretion; and potentially regulation of cancer growth. Here, we describe miRNA expression profiling in mouse embryonic stem (ES) cell- derived neurogenesis in vitro and show that a number of miRNAs are simultaneously co-induced during differentiation of neural progenitor cells to neurons and astrocytes. There was a clear correlation between miRNA expression profiles in ES cell-derived neurogenesis in vitro and in embryonal neurogenesis in vivo. Using both gain-of-function and loss-of-function approaches, we demonstrate that brain-specific miR-124a and miR-9 molecules affect neural lineage differentiation in the ES cell-derived cultures. In addition, we provide evidence that signal transducer and activator of transcription (STAT) 3, a member of the STAT family pathway, is involved in the function of these miRNAs. We conclude that distinct miRNAs play a functional role in the determination of neural fates in ES cell differentiation.

Localized translation in mammalian dendrites may play a role in synaptic plasticity and contribute to the molecular basis for learning and memory. The regulatory mechanisms that control localized translation in neurons are not well understood. We propose a role for microRNAs (miRNAs), a class of noncoding RNAs, as mediators of neuronal translational regulation. We have identified 86 miRNAs expressed in mammalian neurons, of which 40 have not previously been reported. A subset of these miRNAs exhibits temporally regulated expression in cortical cultures. Moreover, all of the miRNAs that were tested cofractionate with polyribosomes, the sites of active translation. These findings indicate that a large, diverse population of miRNAs may function to regulate translation in mammalian neurons.

RNA granules are a macromolecular structure observed in neurons, where they serve as motile units that translocate mRNAs. Isolated RNA granules are highly enriched in Staufen protein and ultrastructurally contain densely packed clusters of ribosomes. With depolarization, many mRNAs, including those involved in plasticity, rapidly shift from the RNA granule fraction to polysomes. Depolarization reorganizes granules and induces a less compact organization of their ribosomes. RNA granules are not translationally competent, as indicated by the failure to incorporate radioactive amino acids and the absence of eIF4E, 4G, and tRNAs. We concluded that RNA granules are a local storage compartment for mRNAs under translational arrest but are poised for release to actively translated pools. Local release of mRNAs and ribosomes from granules may serve as a macromolecular mechanism linking RNA localization to translation and synaptic plasticity.

A key step in angiogenesis is the upregulation of growth factor receptors on endothelial cells. Here, we demonstrate that a small regulatory microRNA, miR-296, has a major role in this process. Glioma cells and angiogenic growth factors elevate the level of miR-296 in primary human brain microvascular endothelial cells in culture. The miR-296 level is also elevated in primary tumor endothelial cells isolated from human brain tumors compared to normal brain endothelial cells. Growth factor-induced miR-296 contributes significantly to angiogenesis by directly targeting the hepatocyte growth factor-regulated tyrosine kinase substrate (HGS) mRNA, leading to decreased levels of HGS and thereby reducing HGS-mediated degradation of the growth factor receptors VEGFR2 and PDGFRβ. Furthermore, inhibition of miR-296 with antagomirs reduces angiogenesis in tumor xenografts in vivo.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a progressive disease associated with neuronal cell death that is thought to involve aberrant immune responses. Here we investigated the role of innate immunity in a mouse model of ALS. We found that inflammatory monocytes were activated and that their progressive recruitment to the spinal cord, but not brain, correlated with neuronal loss. We also found a decrease in resident microglia in the spinal cord with disease progression. Prior to disease onset, splenic Ly6Chi monocytes expressed a polarized macrophage phenotype (M1 signature), which included increased levels of chemokine receptor CCR2. As disease onset neared, microglia expressed increased CCL2 and other chemotaxis-associated molecules, which led to the recruitment of monocytes to the CNS by spinal cord–derived microglia. Treatment with anti-Ly6C mAb modulated the Ly6Chi monocyte cytokine profile, reduced monocyte recruitment to the spinal cord, diminished neuronal loss, and extended survival. In humans with ALS, the analogous monocytes (CD14+CD16–) exhibited an ALS-specific microRNA inflammatory signature similar to that observed in the ALS mouse model, linking the animal model and the human disease. Thus, the profile of monocytes in ALS patients may serve as a biomarker for disease stage or progression. Our results suggest that recruitment of inflammatory monocytes plays an important role in disease progression and that modulation of these cells is a potential therapeutic approach.