MicroRNAs (miRNAs) are post-transcriptional gene expression regulators, playing key roles in neuronal development, plasticity and disease. Parkinson's disease (PD) is the second most common neurodegenerative disorder, characterized by the presence of protein inclusions or Lewy bodies and a progressive loss of dopaminergic neurons in the midbrain. Here, we have evaluated miRNA expression deregulation in PD brain samples. MiRNA expression profiling revealed decreased expression of miR-34b and miR-34c in brain areas with variable neuropathological affectation at clinical (motor) stages (Braak stages 4 and 5) of the disease, including the amygdala, frontal cortex, substantia nigra and cerebellum. Furthermore, misregulation of miR-34b/c was detected in pre-motor stages (stages 1–3) of the disease, and thus in cases that did not receive any PD-related treatment during life. Depletion of miR-34b or miR-34c in differentiated SH-SY5Y dopaminergic neuronal cells resulted in a moderate reduction in cell viability that was accompanied by altered mitochondrial function and dynamics, oxidative stress and reduction in total cellular adenosin triphosphate content. MiR-34b/c downregulation was coupled to a decrease in the expression of DJ1 and Parkin, two proteins associated to familial forms of PD that also have a role in idiopathic cases. Accordingly, DJ1 and Parkin expression was reduced in PD brain samples displaying strong miR-34b/c downregulation. We propose that early deregulation of miR-34b/c in PD triggers downstream transcriptome alterations underlying mitochondrial dysfunction and oxidative stress, which ultimately compromise cell viability. A better understanding of the cellular pathways controlling and/or controlled by miR-34b/c should allow identification of targets for development of therapeutic approaches.

Huntington disease (HD) is a neurodegenerative disorder that predominantly affects neurons of the forebrain. We have applied the Illumina massively parallel sequencing to deeply analyze the small RNA populations of two different forebrain areas, the frontal cortex (FC) and the striatum (ST) of healthy individuals and individuals with HD. More than 80% of the small-RNAs were annotated as microRNAs (miRNAs) in all samples. Deep sequencing revealed length and sequence heterogeneity (IsomiRs) for the vast majority of miRNAs. Around 80–90% of the miRNAs presented modifications in the 3′-terminus mainly in the form of trimming and/or as nucleotide addition variants, while the 5′-terminus of the miRNAs was specially protected from changes. Expression profiling showed strong miRNA and isomiR expression deregulation in HD, most being common to both FC and ST. The analysis of the upstream regulatory regions in co-regulated miRNAs suggests a role for RE1-Silencing Transcription Factor (REST) and P53 in miRNAs downregulation in HD. The putative targets of deregulated miRNAs and seed-region IsomiRs strongly suggest that their altered expression contributes to the aberrant gene expression in HD. Our results show that miRNA variability is a ubiquitous phenomenon in the adult human brain, which may influence gene expression in physiological and pathological conditions.

MicroRNAs (miRNAs) are established regulators of development, cell identity and disease. Although nearly two thousand human miRNA genes are known and new ones are continuously discovered, no attempt has been made to gauge the total miRNA content of the human genome.Employing an innovative computational method on massively pooled small RNA sequencing data, we report 2,469 novel human miRNA candidates of which 1,098 are validated by in-house and published experiments. Almost 300 candidates are robustly expressed in a neuronal cell system and are regulated during differentiation or when biogenesis factors Dicer, Drosha, DGCR8 or Ago2 are silenced. To improve expression profiling, we devised a quantitative miRNA capture system. In a kidney cell system, 400 candidates interact with DGCR8 at transcript positions that suggest miRNA hairpin recognition, and 1,000 of the new miRNA candidates interact with Ago1 or Ago2, indicating that they are directly bound by miRNA effector proteins. From kidney cell CLASH experiments, in which miRNA-target pairs are ligated and sequenced, we observe hundreds of interactions between novel miRNAs and mRNA targets. The novel miRNA candidates are specifically but lowly expressed, raising the possibility that not all may be functional. Interestingly, the majority are evolutionarily young and overrepresented in the human brain.In summary, we present evidence that the complement of human miRNA genes is substantially larger than anticipated, and that more are likely to be discovered in the future as more tissues and experimental conditions are sequenced to greater depth.

Abstract Background The identification of expression quantitative trait methylation (eQTMs), defined as associations between DNA methylation levels and gene expression, might help the biological interpretation of epigenome-wide association studies (EWAS). We aimed to identify autosomal cis eQTMs in children’s blood, using data from 832 children of the Human Early Life Exposome (HELIX) project. Methods Blood DNA methylation and gene expression were measured with the Illumina 450K and the Affymetrix HTA v2 arrays, respectively. The relationship between methylation levels and expression of nearby genes (1 Mb window centered at the transcription start site, TSS) was assessed by fitting 13.6 M linear regressions adjusting for sex, age, cohort, and blood cell composition. Results We identified 39,749 blood autosomal cis eQTMs, representing 21,966 unique CpGs (eCpGs, 5.7% of total CpGs) and 8,886 unique transcript clusters (eGenes, 15.3% of total transcript clusters, equivalent to genes). In 87.9% of these cis eQTMs, the eCpG was located at <250 kb from eGene’s TSS; and 58.8% of all eQTMs showed an inverse relationship between the methylation and expression levels. Only around half of the autosomal cis-eQTMs eGenes could be captured through annotation of the eCpG to the closest gene. eCpGs had less measurement error and were enriched for active blood regulatory regions and for CpGs reported to be associated with environmental exposures or phenotypic traits. 40.4% of eQTMs had at least one genetic variant associated with methylation and expression levels. The overlap of autosomal cis eQTMs in children’s blood with those described in adults was small (13.8%), and age-shared cis eQTMs tended to be proximal to the TSS and enriched for genetic variants. Conclusions This catalogue of autosomal cis eQTMs in children’s blood can help the biological interpretation of EWAS findings and is publicly available at https://helixomics.isglobal.org/ . Funding: The study has received funding from the European Community’s Seventh Framework Programme (FP7/2007-206) under grant agreement no 308333 (HELIX project); the H2020-EU.3.1.2. - Preventing Disease Programme under grant agreement no 874583 (ATHLETE project); from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement no 733206 (LIFECYCLE project), and from the European Joint Programming Initiative “A Healthy Diet for a Healthy Life” (JPI HDHL and Instituto de Salud Carlos III) under the grant agreement no AC18/00006 (NutriPROGRAM project). The genotyping was supported by the project PI17/01225, funded by the Instituto de Salud Carlos III and co-funded by European Union (ERDF, “A way to make Europe”) and the Centro Nacional de Genotipado-CEGEN (PRB2-ISCIII).

Abstract Background The cellular prion protein (PrP C ) has been associated with numerous cellular processes, such as cell differentiation and neurotransmission. Moreover, it was recently demonstrated that some functions were misattributed to PrP C since results were obtained from mouse models with genetic artifacts. Here we elucidate the role of PrP C in the hippocampal circuitry and its related functions, like learning and memory, using the new strictly co-isogenic Prnp 0/0 mouse (Prnp ZH3/ZH3 ) . Behavioral and operant conditioning tests were performed to evaluate memory and learning capabilities. In vivo electrophysiological recordings were carried out at CA3-CA1 synapses in living behaving mice, and spontaneous neuronal firing and network formation were monitored in primary neuronal cultures of Prnp ZH3/ZH3 vs . wild-type mice. Results Results showed decreased motility, impaired operant conditioning learning, and anxiety-related behavior in Prnp ZH3/ZH3 animals. PrP C absence enhanced susceptibility to high-intensity stimulations and kainate-induced seizures. However, long-term potentiation (LTP) was not enhanced in the Prnp ZH3/ZH3 hippocampus. In addition, we observed a delay in neuronal maturation and network formation in Prnp ZH3/ZH3 cultures. Conclusion In conclusion, PrP C mediates synaptic function and protects the synapse from excitotoxic insults. Its deletion might evoke a susceptible epileptogenic brain that would fail to perform highly cognitive-demanding tasks such as associative learning and anxiety-like behaviors.

Small non-coding RNAs are highly abundant molecules that regulate essential cellular processes and are classified according to sequence and structure. Here we argue that read profiles from size-selected RNA sequencing capture the post-transcriptional processing specific to each RNA family, thereby providing functional information independently of sequence and structure. We developed SeRPeNT, the first unsupervised computational method that exploits reproducibility across replicates and uses dynamic time-warping and density-based clustering algorithms to identify, characterize and compare small non-coding RNAs (sncRNAs) by harnessing the power of read profiles. We applied SeRPeNT to: a) generate an extended human annotation with 671 new sncRNAs from known classes and 131 from new potential classes, b) show pervasive differential processing between cell compartments and c) predict new molecules with miRNA-like behaviour from snoRNA, tRNA and long non-coding RNA precursors, potentially dependent on the miRNA biogenesis pathway. Furthermore, we validated experimentally four predicted novel non-coding RNAs: a miRNA, a snoRNA-derived miRNA, a processed tRNA and a new uncharacterized sncRNA. SeRPeNT facilitates fast and accurate discovery and characterization of small non-coding RNAs at unprecedented scale. SeRPeNT code is available under the MIT license at https://github.com/comprna/SeRPeNT.

ABSTRACT Huntington’s disease (HD) is a dominantly inherited neurodegenerative disorder caused by an expanded, somatically unstable CAG repeat in the first exon of the huntingtin gene ( HTT) . In the presence of an expanded CAG repeat, huntingtin mRNA undergoes an aberrant processing that generates HTT1a transcripts with exon 1 and intron 1 sequences, which encodes the aggregation-prone and pathogenic HTTexon 1 protein. The regulatory mechanisms that contribute to the production of HTT1a are not fully understood. In a previous transcriptome-wide m6A landscape study performed in Hdh +/Q111 knock-in mice, we have found that the proximal region of intron 1 to exon1-intron 1 splice site in Htt RNA is highly modified by m6A. Several pieces of evidence have demonstrated that m6A is involved in RNA processing and splicing. Therefore, in this study we set out to explore the impact of m6A RNA modifications in the generation of Htt1a . We show in the striatum of Hdh +/Q111 mice that m6A is enriched in intronic sequences 5’ to the cryptic poly (A) sites (IpA1 and IpA2) at 680 and 1145 bp into intron 1 as well as in Htt1a polyadenylated mRNA. We also verified the presence of specific m6A-modified sites near the 5’ exon1-intron1 splice donor site. Intronic HTT m6A methylation was recapitulated in human samples showing a significantly increased methylation ratio in HD putamen post-mortem samples and in HD fibroblast cell lines from pre-symptomatic and symptomatic patients. In order to test the hypothesis that the m6A modification is involved in mutant Htt RNA processing, we performed a pharmacological inhibition of METTL3 and a targeted demethylation of Htt intron 1 in HD cells using a dCas13-ALKBH5 system. We found that Htt1a transcript levels in HD cells are regulated by METTL3 and by methylation status in Htt intron 1. Site-specific manipulation with an RNA editing system resulted in decreased expression levels of Htt1a , which was accompanied by a reduction in DNA damage, a major hallmark in HD. Finally, we propose that m6A methylation in intron 1 is likely dependent on the expanded CAG repeats. These findings provide insight into the role of m6A in the generation of the aberrantly spliced mutant Htt transcripts with important implications for therapeutic strategies.

Abstract MiRNAs induce post-transcriptional gene silencing by binding to the 3’-UTR of complementary messenger RNAs and causing either degradation or inhibition of translation. The clinical relevance of miRNAs as biomarkers is growing due to their stability and detection in biofluids. In this sense, diagnosis at asymptomatic stages of Alzheimer’s disease (AD) remains a challenge since it can only be made at autopsy according to Braak NFT staging. Achieving the objective of detecting AD at early stages would allow possible therapies to be addressed before the onset of cognitive impairment. Many studies have determined that the expression pattern of some miRNAs is deregulated in AD patients, but to date, none has been correlated with downregulated expression of cellular prion protein (PrP C ) during disease progression. That is why, by means of cross studies of miRNAs up-regulated in AD with in silico identification of potential miRNAs-binding to 3’UTR of human PRNP gene, we selected miR-519a-3p for our study. Other family members of miR-519 have been shown to bind to the 3’UTR region of PRNP in vitro and presumably degrade PRNP mRNA. In addition, up-regulation of some of them has been reported in various tissues from AD patients, including cerebrospinal fluid, plasma, and blood serum. In fact, miR-519d-3p is marked as a bridge regulator between mild cognitive impairment and severe AD. However, none of the studies address the prodromal stages of the disease or the expression profile of miR-519 in other neurodegenerative diseases that also may present dementia. Therefore, in this study we analyzed miR-519a-3p expression in cerebral samples of AD at different stages of evolution as well as other neurodegenerative diseases such as other tauopathies and synucleinopathies. Our results show the specific and early upregulation of miR-519a-3p starting from Braak stage I of AD, suggesting its potential use as a biomarker of preclinical stages of the disease.

Abstract Despite the advances in the understanding of Huntington’s disease (HD), there is the need for molecular biomarkers to categorize mutation-carriers during the preclinical stage of the disease preceding the functional decline. Small RNAs (sRNAs) are a promising source of biomarkers since their expression levels are highly sensitive to pathobiological processes. Here, using an optimized method for plasma extracellular vesicles (EVs) purification and an exhaustive analysis pipeline of sRNA sequencing data, we show that EV-sRNAs are early downregulated in mutation-carriers, and that this deregulation is associated with premanifest cognitive performance. Seven candidate sRNAs (tRF-Glu-CTC, tRF-Gly-GCC, miR-451a, miR-21-5p, miR-26a-5p, miR-27a-3p, and let7a-5p) were validated in additional subjects, showing a significant diagnostic accuracy at premanifest stages. Of these, miR – 21-5p was significantly decreased over time in a longitudinal study; and miR-21-5p and miR-26a-5p levels correlated with cognitive changes in the premanifest cohort. In summary, the present results suggest that deregulated plasma EV-sRNAs define an early biosignature in mutation carriers with specific species sensing the progression and cognitive changes occurring at the premanifest stage.