Identifying microRNAs involved in vestibular compensation using vestibular nucleus of the rat

Abstract

Normal vestibular function, which is essential for balance, depends upon symmetrical afferent signals from vestibular organs in the two inner ears. Unilateral vestibular deafferentation (UVD) interrupts afferent signals from one side, resulting in an imbalance of the resting activity between bilateral vestibular nuclei and severe dizziness. These symptoms disappear as vestibular compensation is achieved. Vestibular compensation is the process of balancing the resting activity to reestablish homeostasis. It is a typical phenomenon of rapidly progressive neuronal plasticity, which is an attractive model for neuronal plasticity research. Here, we investigated microRNAs (miRNAs) that regulate vestibular compensation in vestibular nucleus using the Sprague–Dawley rat. After determining the progression of vestibular compensation following UVD, microarray analysis was performed and nine miRNAs were selected as candidates. Following validation by quantitative reverse transcription-PCR, three miRNAs remained. We assessed the effect of these miRNAs on vestibular compensation using miRNA oligomers. We compared the results of the rotarod test and 5-bromo-2′-deoxyuridine immunohistochemistry following UVD between the control group and the groups in which the candidate miRNA oligomers were administered. Administration of miR-218a-5p, 219a-5p, and 221-3p oligomers significantly affected vestibular compensation. Target pathway analysis of these miRNAs supported our results. Overall, our findings suggest that the miRNAs 218a-5p, 219a-5p, and 221-3p regulate vestibular compensation.

평형에 필수적인 전정 기능이 정상적으로 작동하기 위해서는, 양측 내이의 전정 기관에서 발생하는 구심성 신호의 대칭성이 필수적이다. 일측 전정 장애는 일측 전정 기관에서 발생하는 구심성 신호를 감소시켜 양측 전정핵의 휴지기 활성도의 불균형을 초래하고, 이는 극심한 어지럼증을 유발한다. 전정 보상이 달성되면 이러한 증상이 사라진다. 전정 보상은 항상성을 유지하기 위해 휴지기 활성도의 균형을 회복하는 과정이다. 이것은 빠르게 진행하는 신경 가소성 현상의 전형적인 형태로, 신경 가소성 연구를 위한 매력적인 모델이기도 하다. 본 연구에서는 백서를 사용하여 전정핵에서 전정 보상을 조절하는 microRNA를 발굴하였다. 일측 전정 장애 후 진행되는 전정 보상 과정을 확인한 후, 마이크로 어레이 분석을 수행하여 전정 보상에 관여할 것으로 예상되는 9가지 후보 microRNA를 선정하였다. 9가지 후보 microRNA에 대해 정량 역전사 중합 효소 연쇄 반응 분석을 시행하여 후보 microRNA를 microRNA-218a-5p, 219a-5p, 221-3p 3가지로 압축하였다. 후보 microRNA의 올리고머를 이용하여 후보 microRNA가 전정 보상에 미치는 영향을 평가하였다. 일측 전정 장애를 유발한 후, 대조군과 후보 microRNA 올리고머를 투여한 군 간에 로타로드 검사와 5-bromo-2′-deoxyuridine 면역 조직 화학 검사 결과를 비교 하였다. miR-218a-5p, 219a-5p 및 221-3p 올리고머의 투여는 전정 보상에 유의한 영향을 미쳤다. 이 3가지 microRNA의 표적 경로 분석 결과 역시 위 결과를 뒷받침하였다. 따라서 microRNA 218a-5p, 219a-5p 및 221-3p가 전정 보상 작용을 조절하는 것으로 예상된다.