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The potential of human-induced pluripotent stem cells (hiPSCs) to be differentiated into cardiomyocytes (CMs) mimicking adult CMs functional morphology, marker genes and signaling characteristics has been investigated since over a decade. The evolution of the membrane localization of CM-specific G protein-coupled receptors throughout differentiation has received, however, only limited attention to date. We employ here advanced fluorescent spectroscopy, namely linescan Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS), to observe how the plasma membrane abundance of the β\(_1\)- and β\(_2\)-adrenergic receptors (β\(_{1/2}\)-ARs), labelled using a bright and photostable fluorescent antagonist, evolves during the long-term monolayer culture of hiPSC-derived CMs. We compare it to the kinetics of observed mRNA levels in wildtype (WT) hiPSCs and in two CRISPR/Cas9 knock-in clones. We conduct these observations against the backdrop of our recent report of cell-to-cell expression variability, as well as of the subcellular localization heterogeneity of β-ARs in adult CMs.
The eukaryotic parasite Trypanosoma brucei has evolved sophisticated strategies to persist within its mammalian host. Trypanosomes evade the hosts' immune system by antigenic variation of their surface coat, consisting of variant surface glycoproteins (VSGs). Out of a repertoire of thousands of VSG genes, only one is expressed at any given time from one of the 15 telomeric expression sites (ES). The VSG is stochastically exchanged either by a transcriptional switch of the active ES (in situ switch) or by a recombinational exchange of the VSG within the active ES. However, for infections to persist, the parasite burden has to be limited. The slender (sl) bloodstream form secretes the stumpy induction factor (SIF), which accumulates with rising parasitemia. SIF induces the irreversible developmental transition from the proliferative sl to the cell cycle-arrested but fly-infective stumpy (st) stage once a concentration threshold is reached. Thus, antigenic variation and st development ensure persistent infections and transmissibility. A previous study in monomorphic cells indicated that the attenuation of the active ES could be relevant for the development of trypanosomes. The present thesis investigated this hypothesis using the inducible overexpression of an ectopic VSG in pleomorphic trypanosomes, which possess full developmental competence. These studies revealed a surprising phenotypic plasticity: while the endogenous VSG was always down-regulated upon induction, the ESactivity determined whether the VSG overexpressors arrested in growth or kept proliferating. Full ES-attenuation induced the differentiation of bona fide st parasites independent of the cell density and thus represents the sole natural SIF-independent differentiation trigger to date. A milder decrease of the ES-activity did not induce phenotypic changes, but appeared to prime the parasites for SIF-induced differentiation. These results demonstrate that antigenic variation and development are linked and indicated that the ES and the VSG are independently regulated. Therefore, I investigated in the second part of my thesis how ES-attenuation and VSG-silencing can be mediated. Integration of reporters with a functional or defective VSG 3'UTR into different genomic loci showed that the maintenance of the active state of the ES depends on a conserved motif within the VSG 3'UTR. In situ switching was only triggered when the telomere-proximal motif was partially deleted, suggesting that it serves as a DNA-binding motif for a telomere-associated protein. The VSG levels seem to be additionally regulated in trans based on the VSG 3'UTR independent of the genomic context, which was reinforced by the regulation of a constitutively expressed reporter with VSG 3' UTR upon ectopic VSG overexpression.
Hypophosphatasia (HPP) is a rare genetic disease with diverse symptoms and a heterogeneous severity of onset with underlying mutations in the ALPL gene encoding the ectoenzyme Tissue-nonspecific alkaline phosphatase (TNAP). Considering the establishment of zebrafish (Danio rerio) as a new model organism for HPP, the aim of the study was the spatial and temporal analysis of alpl expression in embryos and adult brains. Additionally, we determined functional consequences of Tnap inhibition on neural and skeletal development in zebrafish. We show that expression of alpl is present during embryonic stages and in adult neuronal tissues. Analyses of enzyme function reveal zones of pronounced Tnap-activity within the telencephalon and the mesencephalon. Treatment of zebrafish embryos with chemical Tnap inhibitors followed by axonal and cartilage/mineralized tissue staining imply functional consequences of Tnap deficiency on neuronal and skeletal development. Based on the results from neuronal and skeletal tissue analyses, which demonstrate an evolutionary conserved role of this enzyme, we consider zebrafish as a promising species for modeling HPP in order to discover new potential therapy strategies in the long-term.
Rats intracerebroventricularily (icv) treated with streptozotocin (STZ), shown to generate an insulin resistant brain state, were used as an animal model for the sporadic form of Alzheimer's disease (sAD). Previously, we showed in an in vivo study that 3 months after STZ icv treatment hippocampal adult neurogenesis (AN) is impaired. In the present study, we examined the effects of STZ on isolated adult hippocampal neural stem cells (NSCs) using an in vitro approach. We revealed that 2.5 mM STZ inhibits the proliferation of NSCs as indicated by reduced number and size of neurospheres as well as by less BrdU-immunoreactive NSCs. Double immunofluorescence stainings of NSCs already being triggered to start with their differentiation showed that STZ primarily impairs the generation of new neurons, but not of astrocytes. For revealing mechanisms possibly involved in mediating STZ effects we analyzed expression levels of insulin/glucose system-related molecules such as the glucose transporter (GLUT) 1 and 3, the insulin receptor (IR) and the insulin-like growth factor (IGF) 1 receptor. Applying quantitative Real time-PCR (qRT-PCR) and immunofluorescence stainings we showed that STZ exerts its strongest effects on GLUT3 expression, as GLUT3 mRNA levels were found to be reduced in NSCs, and less GLUT3-immunoreactive NSCs as well as differentiating cells were detected after STZ treatment. These findings suggest that cultured NSCs are a good model for developing new strategies to treat nerve cell loss in AD and other degenerative disorders.
Elektromagnetische Felder (EMF) sind in der Umwelt des Menschen allgegenwärtig. Unter Verwendung unterschiedlicher Frequenzen bilden sie die Grundlage zahlreicher Technologien und begegnen uns im Alltag in einer Vielzahl von Anwendungen. Eine sehr wichtige Anwendung von EMF ist die mobile Kommunikation. Die hierfür verwendeten Frequenzen liegen im hochfrequenten Bereich und variieren mit dem Mobilfunkstandard. Weit verbreitet ist die GSM- und UMTS-Modulation der zweiten (2G) und dritten Generation (3G). Zum neuesten Mobilfunkstandard zählt LTE (4G).
Aus statistischen Daten geht hervor, dass derzeit weltweit mehr als sieben Milliarden Mobilfunk-Endgeräte existieren. Die weitverbreitete und stetig ansteigende Verwendung dieser Technologien verdeutlicht, dass viele Menschen, darunter auch zunehmend Kinder und Jugendliche, regelmäßig einer Exposition gegenüber EMF ausgesetzt sind. Die wichtigste Expositionsquelle stellt dabei das Mobiltelefon dar, da sich in diesem Szenario die Quelle sehr nah am menschlichen Körper befindet. In der Vergangenheit wurden zahlreiche in-vitro- und in-vivo-Untersuchungen sowie epidemiologische Studien durchgeführt, um potentielle, nicht-thermische Effekte von Mobilfunkstrahlung auf biologische Systeme beurteilen zu können. Ein vollständiger Konsens konnte auf der Basis der erhaltenen Ergebnisse jedoch nicht erzielt werden, sodass weiterhin Bedenken zum schädlichen Potential dieser nichtionisierenden Strahlung bestehen. Insbesondere wurden Fragestellungen zu Langzeiteffekten sowie zu Effekten, die speziell bei Kindern eine besondere Rolle spielen, bisher nicht ausreichend adressiert. Kinder können empfindlicher auf Umwelteinflüsse reagieren und sind im Vergleich zu Erwachsenen teilweise höher gegenüber EMF exponiert. Dies gilt vor allem für Kopfregionen, in denen sich das aktive, für die Hämatopoese verantwortliche Knochenmark befindet.
Vor diesem Hintergrund war es das Ziel der vorliegenden Arbeit, den Einfluss von Mobilfunkstrahlung auf das humane blutbildende System zu untersuchen. Im Fokus standen dabei humane hämatopoetische Stammzellen, die mit Frequenzen der Mobilfunkstandards GSM (900 MHz), UMTS (1.950 MHz) und LTE (2.535 MHz) jeweils über einen kurzen (4 h) und einen langen (20 h) Zeitraum und mit unterschiedlichen Intensitäten (0 W/kg, 0,5 W/kg, 1 W/kg, 2 W/kg und 4 W/kg) exponiert wurden. Vergleichende Experimente erfolgten mit Zellen der Promyelozyten-Zelllinie HL-60. Mögliche Effekte wurden mit den Endpunkten Apoptose, oxidativer Stress, Zellzyklus, DNA-Schaden und –Reparatur sowie Differenzierung und Epigenetik in Form von Histonacetylierung bewertet. In keinem der genannten Endpunkte konnten klare Effekte durch Mobilfunkstrahlung ausgemacht werden, weder für die hämatopoetischen Stammzellen, noch für die Zelllinie HL-60. Die einzige Veränderung wurde bei der Quantifizierung von DNA-Schäden beobachtet. Hier zeigte sich nach der Kurzzeitexposition der Stammzellen mit der Modulation GSM eine kleine, aber statistisch signifikante Abnahme der DNA-Schäden verglichen mit der Scheinexposition. Diese Beobachtung ließ sich in weiteren Replikaten jedoch nicht reproduzieren und wurde daher als nicht biologisch relevant eingestuft.
Insgesamt konnte mit dieser Arbeit gezeigt werden, dass durch Mobilfunkstrahlung mit Frequenzen der verbreiteten Modulationen GSM, UMTS und LTE sowie SAR-Werten, die unterhalb und oberhalb des empfohlenen Sicherheitsstandards liegen und typischerweise bei Handytelefonaten auftreten, keine Effekte in Zellen des blutbildenden Systems unter den gegebenen Versuchsbedingungen induziert wurden. Ein besonderer Fokus lag hierbei auf der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Weiterhin wurden zum ersten Mal humane hämatopoetische Stammzellen für derartige Untersuchungen eingesetzt. Dies hat insofern eine besondere Bedeutung, als hämatopoetische Stammzellen aufgrund ihrer multipotenten Eigenschaften eine breitere Analyse mit Hinblick auf die Kanzerogenese und auf das Immunsystem ermöglichen.
Um über die Mobilfunk-Untersuchungen hinaus die hämatopoetischen Stammzellen besser charakterisieren zu können, sowie die Sensitivität von Blutzellen mit unterschiedlichem Differenzierungsstatus zu analysieren, wurden sie anderen Zellen des blutbildenden Systems (undifferenzierte und differenzierte HL-60-Zellen und TK6-Zellen) gegenübergestellt. Eine Behandlung der verschiedenen Zelltypen mit mutagenen Substanzen zeigte, dass sich die hämatopoetischen Stammzellen in den meisten der untersuchten Endpunkte von den Zelllinien unterschieden. Deutliche Abweichungen zeigten sich beim oxidativen Stress, der DNA-Reparatur und der Histonacetylierung; kein Unterschied konnte dagegen bei den DNA-Schäden beobachtet werden. Eine erste Interpretation der erhaltenen Ergebnisse ist auf der Grundlage der unterschiedlichen Eigenschaften von Zellen mit abweichendem Differenzierungsstatus möglich. Um jedoch eine eindeutige Aussage treffen zu können, müssten noch weitere Untersuchungen durchgeführt werden.
Adipocytes play a central role in maintaining metabolic homeostasis in the body. Differentiation of adipocyte precursor cells requires the transcriptional activity of peroxisome proliferator-activated receptor-γ (Pparγ) and CCAAT/enhancer binding proteins (C/Ebps). Transcriptional activity is regulated by signaling modules activated by a plethora of hormones and nutrients. Mechanistic target of rapamacin complexes (mTORC) 1 and 2 are central for the coordination of hormonal and nutritional inputs in cells and are essential for adipogenesis. Serum glucocorticoid kinase 1 (Sgk1)-dependent phosphorylation of N-Myc downstream-regulated gene 1 (Ndrg1) is a hallmark of mTORC2 activation in cells. Moreover, Pparγ activation promotes Ndrg1 expression. However, the impact of Ndrg1 on adipocyte differentiation and function has not yet been defined. Here, we show that Ndrg1 expression and its Sgk1-dependent phosphorylation are induced during adipogenesis. Consistently, we demonstrate that Ndrg1 promotes adipocyte differentiation and function by inducing Pparγ expression. Additionally, our results indicate that Ndrg1 is required for C/Ebpα phosphorylation. Moreover, we found that Ndrg1 phosphorylation by Sgk1 promotes adipocyte formation. Taken together, we show that induction of Ndrg1 expression by Pparγ and its phosphorylation by Sgk1 kinase are required for the acquisition of adipocyte characteristics by precursor cells.
Stimulating the immune system to attack cancer is a promising approach, even for the control of advanced cancers. Several cytokines that promote interferon-γ-dominated immune responses show antitumor activity, with interleukin 12 (IL-12) being of major importance. Here, we used an antibody-IL-12 fusion protein (NHS-IL12) that binds histones of necrotic cells to treat human sarcoma in humanized mice. Following sarcoma engraftment, NHS-IL12 therapy was combined with either engineered IL-7 (FcIL-7) or IL-2 (IL-2MAB602) for continuous cytokine bioavailability. NHS-IL12 strongly induced innate and adaptive antitumor immunity when combined with IL-7 or IL-2. NHS-IL12 therapy significantly improved survival of sarcoma-bearing mice and caused long-term remissions when combined with IL-2. NHS-IL12 induced pronounced cancer cell senescence, as documented by strong expression of senescence-associated p16\(^{INK4a}\) and nuclear translocation of p-HP1γ, and permanent arrest of cancer cell proliferation. In addition, this cancer immunotherapy initiated the induction of myogenic differentiation, further promoting the hypothesis that efficient antitumor immunity includes mechanisms different from cytotoxicity for efficient cancer control in vivo.
Control of genetic regulatory networks is challenging to define and quantify. Previous control centrality metrics, which aim to capture the ability of individual nodes to control the system, have been found to suffer from plausibility and applicability problems. Here we present a new approach to control centrality based on network convergence behaviour, implemented as an extension of our genetic regulatory network simulation framework Jimena (http://stefan-karl.de/jimena). We distinguish three types of network control, and show how these mathematical concepts correspond to experimentally verified node functions and signalling pathways in immunity and cell differentiation: Total control centrality quantifies the impact of node mutations and identifies potential pharmacological targets such as genes involved in oncogenesis (e.g. zinc finger protein GLI2 or bone morphogenetic proteins in chondrocytes). Dynamic control centrality describes relaying functions as observed in signalling cascades (e.g. src kinase or Jak/Stat pathways). Value control centrality measures the direct influence of the value of the node on the network (e.g. Indian hedgehog as an essential regulator of proliferation in chondrocytes). Surveying random scale-free networks and biological networks, we find that control of the network resides in few high degree driver nodes and networks can be controlled best if they are sparsely connected.
Oligodendrocytes are the myelinating glia of the central nervous system and ensure rapid saltatory conduction. Shortage or loss of these cells leads to severe malfunctions as observed in human leukodystrophies and multiple sclerosis, and their replenishment by reprogramming or cell conversion strategies is an important research aim. Using a transgenic approach we increased levels of the transcription factor Sox10 throughout the mouse embryo and thereby prompted Fabp7-positive glial cells in dorsal root ganglia of the peripheral nervous system to convert into cells with oligodendrocyte characteristics including myelin gene expression. These rarely studied and poorly characterized satellite glia did not go through a classic oligodendrocyte precursor cell stage. Instead, Sox10 directly induced key elements of the regulatory network of differentiating oligodendrocytes, including Olig2, Olig1, Nkx2.2 and Myrf. An upstream enhancer mediated the direct induction of the Olig2 gene. Unlike Sox10, Olig2 was not capable of generating oligodendrocyte-like cells in dorsal root ganglia. Our findings provide proof-of-concept that Sox10 can convert conducive cells into oligodendrocyte-like cells in vivo and delineates options for future therapeutic strategies.
Miz1 is a zinc finger transcription factor with an N-terminal POZ domain. Complexes with Myc, Bcl-6 or Gfi-1 repress expression of genes like Cdkn2b (p15(Ink4)) or Cd-kn1a (p21(Cip1)). The role of Miz1 in normal mammary gland development has not been addressed so far. Conditional knockout of the Miz1 POZ domain in luminal cells during pregnancy caused a lactation defect with a transient reduction of glandular tissue, reduced proliferation and attenuated differentiation. This was recapitulated in vitro using mouse mammary gland derived HC11 cells. Further analysis revealed decreased Stat5 activity in Miz1 Delta POZ mammary glands and an attenuated expression of Stat5 targets. Gene expression of the Prolactin receptor (PrlR) and ErbB4, both critical for Stat5 phosphorylation (pStat5) or pStat5 nuclear translocation, was decreased in Miz1 Delta POZ females. Microarray, ChIP-Seq and gene set enrichment analysis revealed a down-regulation of Miz1 target genes being involved in vesicular transport processes. Our data suggest that deranged intracellular transport and localization of PrlR and ErbB4 disrupt the Stat5 signalling pathway in mutant glands and cause the observed lactation phenotype.
Technische Neuerungen und steigende Ansprüche an die Gesundheit stellen die moderne Medizin immer wieder vor neue Herausforderungen und führen zur Entwicklung von neuen Therapiekonzepten wie dem Tissue Engineering. Vielfach kommen dabei adulte pluripotente Stammzellen zum Einsatz. Bei der Regeneration mesenchymalen Gewebes wie Knochen, Knorpel und Muskulatur leisten Mesenchymale Stammzellen (MSCs) einen entscheidenden Beitrag. Diese lassen sich aus allen mesenchymalen Geweben des Körpers gewinnen und stellen daher zwar keine homogene Zellpopulation dar, doch sie lassen sich aufgrund phänotypischer und molekularbiologischer Gemeinsamkeiten charakterisieren.
In großer Zahl lassen sich MSCs aus dem Knochenmark gewinnen und werden als stromale MSCs bzw. mhMSCs (marrow-derived human MSCs) bezeichnet. Auf der Suche nach homogenen Subpopulationen von MSCs wurde in dieser Arbeit eine Zellpopulation aus Knochentrabekeln gewonnen, sogenannte bhMSCs (trabecular bone-derived MSCs), und anhand ihrer Genexpression mit mhMSCs verglichen. Dafür wurde RNA aus beiden Populationen in einem Microarray mit anschließender SAM (significance analysis of microarrays) analysiert um unterschiedliche Expressionsmuster zwischen mhMSCs und bhMSCs aufzuzeigen. Diese Ergebnisse wurden durch konventionelle Reverse Transkriptase Polymerase Kettenreaktion (RT-PCR) bestätigt, wobei das Augenmerk vor allem auf solche Gene gerichtet wurde, die differentiell exprimiert waren und zudem als Markergene ein Differenzierungspotential in bestimmte Gewebe wie Muskel und Knochen vorhersagen. Dabei konnte sowohl eine gute Übereinstimmung zwischen Microarray und RT-PCR demonstriert als auch die Hoffnung auf eine homogene (trabekuläre) MSC-Population mit anderen Differenzierungseigenschaften geweckt werden.
Im Verlauf weitergehender Untersuchungen der SAM fiel eine unerklärlich hohe Expression von Immunglobulinketten in der mhMSC-Kultur (Passage 0) auf, die letztlich auf eine Kontamination der Zellkultur mit Plasmazellen schließen ließ.
Da die Ergebnisse des Microarrays (Passage 0 Kultur) somit zu hinterfragen waren, wurde die Kontamination der Plasmazellen durch Passagieren der mhMSC-Zellkultur (Passage 1) beseitigt und erneut ein Microarray mit SAM durchgeführt. Dabei relativierten sich fast alle Expressionsunterschiede, die somit auf die Kontamination der Plasmazellen zurückgeführt werden mussten.
Einzig drei Gene (CD24, TRIB2, AHNAK) wurden in diesem zweiten Array differentiell exprimiert, was sich bei CD24 und TRIB2 auch durch RT-PCR untermauern ließ.
Es lässt sich also schlussfolgern, dass bhMSCs wahrscheinlich in der Zukunft des Tissue Engineering keinen Stellenwert haben werden, zumal ihre Gewinnung im Vergleich zu mhMSC deutlich aufwendiger ist.
Growth and Differentiation Factor 5 (GDF5) is a secreted growth factor that belongs to the Bone Morphogenetic Protein (BMP) family and plays a pivotal role during limb development. GDF5 is a susceptibility gene for osteoarthritis (OA) and mutations in GDF5 are associated with a wide variety of skeletal malformations ranging from complex syndromes such as acromesomelic chondrodysplasias to isolated forms of brachydactylies or multiple synostoses syndrome 2 (SYNS2). Here, we report on a family with an autosomal dominant inherited combination of SYNS2 and additional brachydactyly type A1 (BDA1) caused by a single point mutation in GDF5 (p.W414R). Functional studies, including chondrogenesis assays with primary mesenchymal cells, luciferase reporter gene assays and Surface Plasmon Resonance analysis, of the GDF5 W-414R variant in comparison to other GDF5 mutations associated with isolated BDA1 (p.R399C) or SYNS2 (p.E491K) revealed a dual pathomechanism characterized by a gain-and loss-of-function at the same time. On the one hand insensitivity to the main GDF5 antagonist NOGGIN (NOG) leads to a GDF5 gain of function and subsequent SYNS2 phenotype. Whereas on the other hand, a reduced signaling activity, specifically via the BMP receptor type IA (BMPR1A), is likely responsible for the BDA1 phenotype. These results demonstrate that one mutation in the overlapping interface of antagonist and receptor binding site in GDF5 can lead to a GDF5 variant with pathophysiological relevance for both, BDA1 and SYNS2 development. Consequently, our study assembles another part of the molecular puzzle of how loss and gain of function mutations in GDF5 affect bone development in hands and feet resulting in specific types of brachydactyly and SYNS2. These novel insights into the biology of GDF5 might also provide further clues on the pathophysiology of OA.
Animal models mimicking human diseases have been used extensively to study the pathogenesis of autoimmune diseases and the efficacy of potential therapeutics. They are, however, limited with regard to their similarity to the human disease and cannot be used if the antagonist and its cognate receptor require high similarity in structure or binding. Here, we examine the induction of oxazolone-mediated features of atopic dermatitis (AD) in NOD-scid IL2R \(γ^{null}\) mice engrafted with human peripheral blood mononuclear cells (PBMC). The mice developed the same symptoms as immunocompetent BALB/c mice. Histological alterations induced by oxazolone were characterized by keratosis, epithelial hyperplasia and influx of inflammatory cells into the dermis and epidermis. The cellular infiltrate was identified as human leukocytes, with T cells being the major constituent. In addition, oxazolone increased human serum IgE levels. The response, however, required the engraftment of PBMC derived from patients suffering from AD, which suggests that this model reflects the immunological status of the donor. Taken together, the model described here has the potential to evaluate the efficacy of therapeutics targeting human lymphocytes in vivo and, in addition, might be developed further to elucidate molecular mechanisms inducing and sustaining flares of the disease.
Osteoporose ist einer der häufigsten Knochenerkrankungen im fortschreitenden Alter und zählt, aufgrund der damit verbundenen hohen direkten und indirekten Behandlungskosten, zu einer der zehn wichtigsten volkswirtschaftlichen Krankheiten. Die Behandlung der Osteoporose ist langjährig und umfasst eine medikamentöse Therapie auf der Basis einer „knochengesunden“ Lebensweise hinsichtlich Ernährung und Bewegung. Im Rahmen von Untersuchungen zur Linderung von postmenopausalen Beschwerden, zeigte ein Extrakt der Pflanze Cimicifuga racemosa Potential zu osteoprotektiver Wirksamkeit und rückte somit in den Fokus für eine mögliche Anwendung in der Therapie und Prophylaxe von Osteoporose. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, in enger Zusammenarbeit mit der Bionorica SE, welche für die Aufreinigung und Fraktionierung des Pflanzenextraktes zuständig war, und mit der Arbeitsgruppe um Prof. Wuttke, welche parallele Rattenstudien durchführte, Methoden anzuwenden, mit denen osteoprotektive Wirksamkeiten nachgewiesen und auf einzelne Fraktionen des Extraktes limitiert werden können. ...
Background: Gene targeting (GT) provides a powerful tool for the generation of precise genetic alterations in embryonic stem (ES) cells to elucidate gene function and create animal models for human diseases. This technology has, however, been limited to mouse and rat. We have previously established ES cell lines and procedures for gene transfer and selection for homologous recombination (HR) events in the fish medaka (Oryzias latipes).
Methodology and Principal Findings: Here we report HR-mediated GT in this organism. We designed a GT vector to disrupt the tumor suppressor gene p53 (also known as tp53). We show that all the three medaka ES cell lines, MES1 similar to MES3, are highly proficient for HR, as they produced detectable HR without drug selection. Furthermore, the positive-negative selection (PNS) procedure enhanced HR by similar to 12 folds. Out of 39 PNS-resistant colonies analyzed, 19 (48.7%) were positive for GT by PCR genotyping. When 11 of the PCR-positive colonies were further analyzed, 6 (54.5%) were found to be bona fide homologous recombinants by Southern blot analysis, sequencing and fluorescent in situ hybridization. This produces a high efficiency of up to 26.6% for p53 GT under PNS conditions. We show that p53 disruption and long-term propagation under drug selection conditions do not compromise the pluripotency, as p53-targeted ES cells retained stable growth, undifferentiated phenotype, pluripotency gene expression profile and differentiation potential in vitro and in vivo.
Conclusions: Our results demonstrate that medaka ES cells are proficient for HR-mediated GT, offering a first model organism of lower vertebrates towards the development of full ES cell-based GT technology.
Aus dem Knochenmark isolierte humane mesenchymale Stammzellen (hMSC) sind als Vorläuferzellen der Osteoblasten an der Knochenformation sowie an der Knochenremodellierung beteiligt und aufgrund ihrer Multipotenz in der Lage, in mesenchymales Gewebe (Knochen, Knorpel, Fett) zu differenzieren. Aufgrund dieser Eigenschaften gelten sie als Quelle der Regeneration und der Heilung im Hinblick auf zellbasierte Therapien zur Behandlung degenerativer Erkrankungen (Arthrose, Osteoporose) des muskuloskelettalen Systems. Die besondere Situation der Geweberegeneration beim älteren Menschen ist gekennzeichnet durch den Anstieg der Produktion von Hemmstoffen der Geweberegeneration und durch verschiedene häufige Mangelzustände wie z.B. den Vitamin D-Mangel. In der vorliegenden Arbeit wurden Modulatoren (Morphogene) untersucht, die in der Lage sind, die hMSC in vitro in ihrem proliferativen, undifferenzierten Zustand (transient amplifying pool) und am Übergang in die Differenzierung und Reifung zu beeinflussen. Ziel war es, durch die Charakterisierung solcher Modulatoren, Verfahren zu etablieren, die zu einer verbesserten Zellqualität bei regenerativen Therapiestrategien führen, sei es in situ oder beim Tissue Engineering. Der Fokus lag auf der Geweberegeneration beim älteren Menschen. Dafür wurden als Morphogene 1,25-Dihydroxyvitamin D3 (1,25D3), Aktivin A (AA), Myostatin (MSTN) und Low Oxygen (LO) ausgewählt und hinsichtlich ihrer Wirksamkeit auf Stemness, Differenzierung und Seneszenzentwicklung in der Zellkultur getestet. Alle 4 Kandidaten nehmen im menschlichen Organismus wichtige regulatorische Aufgaben ein. 1,25D3 wirkt nicht nur lokal auf Zellen und Gewebe, sondern mit der Mineralisierung des Knochens und der Regulierung des Kalzium- und Phosphatspiegels im Serum auch systemisch. AA und MSTN werden als Mitglieder der TGFβ-Familie mit dem muskuloskelettalen System in Verbindung gebracht, da eine Inaktivierung von MSTN bei Mensch und Tier zu einem deutlichen Anstieg der Skelettmuskelmasse führt. Gleichzeitig fördert ein Aktivin Antagonist, der neue Wirkstoff Sotatercept (ACE-011), die Knochenbildung im Menschen. Mit der Kultivierung der hMSC unter reduzierter Sauerstoffspannung (2,5 % Sauerstoff, LO) sollten Bedingungen in der Zellkultur geschaffen werden, die - im Vergleich zur traditionellen Kultivierung mit einem atmosphärischen Sauerstoffgehalt von 21 % - näher an den physiologischen Gegebenheiten bei der Geweberegeneration sind. Zu Beginn wurde sichergestellt, dass alle 4 Modulatoren die Expression typischer mesenchymaler Oberflächenmarker nicht beeinflussten und die klonogene Kapazität der stimulierten hMSC erhielten. Im Rahmen weiterer Untersuchungen zeigte sich, dass eine permanente 1,25D3 Supplementierung die chondrogene, adipogene und osteogene Differenzierungskapazität der hMSC erhielt und somit den Stammzellcharakter der hMSC nicht beeinträchtigte. Die verstärkte Expression der Quieszenz-assoziierten Gene in 1,25D3 stimulierten hMSC deutete darauf hin, dass sich die hMSC aufgrund der 1,25D3 Supplementation in Richtung Quieszenz verändern. Die permanente 1,25D3 Supplementation übt somit eine vor Alterungsprozessen schützende Wirkung in der Zellkultur aus, indem die Entwicklung replikativer Seneszenz verzögert wird und das multipotente Potential der hMSC erhalten wird. Im Bezug auf die Differenzierungsfähigkeit der Zellen verhielten sich rh AA und rh MSTN konträr. Während eine rh MSTN Stimulation keine Wirkung auf die adipogene und osteogene Differenzierung hatte, schränkte rh AA das adipogene und osteogene Differenzierungspotential der hMSC nahezu vollständig ein und die Zellen wurden in einem Zustand des Prä-Kommittments festgehalten. Da die LO Expandierung die Stemness erhöhte bzw. die Seneszenz reduzierte und die hMSC in einem proliferativen Zustand bei gleichzeitiger Hemmung der Differenzierung arretierte, scheint diese Art der Kultivierung ein besonderer Schutz für die hMSC zu sein. Mit der vorliegenden Arbeit ist es gelungen, wirksame Morphogene (1,25D3, rh AA, LO) zu finden, die in der Lage sind, modulatorisch auf die hMSC einzuwirken ohne dabei den Stammzellcharakter zu verändern. Durch ihre Modulation kann nicht nur die Qualität der hMSC verbessert werden, sondern je nach Bedarf können auch die verschiedenen Phasen der Geweberegeneration insbesondere beim Übergang vom „transient amplifying pool“ zur Differenzierung gesteuert werden. Diese Ergebnisse können Konsequenzen für die Anwendung haben, bei der in situ Geweberegeneration ebenso wie für das ex vivo Tissue Engineering.
The transcription factor Miz1 forms repressive DNA-binding complexes with the Myc, Gfi-1 and Bcl-6 oncoproteins. Known target genes of these complexes encode the cyclin-dependent kinase inhibitors (CKIs) cdkn2b (p15\(^{Ink4}\)), cdkn1a (p21\(^{Cip1}\)), and cdkn1c (p57\(^{Kip2}\)). Whether Miz1-mediated repression is important for control of cell proliferation in vivo and for tumor formation is unknown. Here we show that deletion of the Miz1 POZ domain, which is critical for Miz1 function, restrains the development of skin tumors in a model of chemically-induced, Ras-dependent tumorigenesis. While the stem cell compartment appears unaffected, interfollicular keratinocytes lacking functional Miz1 exhibit a reduced proliferation and an accelerated differentiation of the epidermis in response to the tumor promoter 12-O-tetradecanoylphorbol-13-acetate (TPA). Tumorigenesis, proliferation and normal differentiation are restored in animals lacking cdkn1a, but not in those lacking cdkn2b. Our data demonstrate that Miz1-mediated attenuation of cell cycle arrest pathways via repression of cdkn1a has a critical role during tumorigenesis in the skin.
1,25-dihydroxyvitamin D3 (1,25D3) was reported to induce premature organismal aging in fibroblast growth factor-23 (Fgf23) and klotho deficient mice, which is of main interest as 1,25D3 supplementation of its precursor cholecalciferol is used in basic osteoporosis treatment. We wanted to know if 1,25D3 is able to modulate aging processes on a cellular level in human mesenchymal stem cells (hMSC). Effects of 100 nM 1,25D3 on hMSC were analyzed by cell proliferation and apoptosis assay, beta-galactosidase staining, VDR and surface marker immunocytochemistry, RT-PCR of 1,25D3-responsive, quiescence-and replicative senescence-associated genes. 1,25D3 treatment significantly inhibited hMSC proliferation and apoptosis after 72 h and delayed the development of replicative senescence in long-term cultures according to beta-galactosidase staining and P16 expression. Cell morphology changed from a fibroblast like appearance to broad and rounded shapes. Long term treatment did not induce lineage commitment in terms of osteogenic pathways but maintained their clonogenic capacity, their surface marker characteristics (expression of CD73, CD90, CD105) and their multipotency to develop towards the chondrogenic, adipogenic and osteogenic pathways. In conclusion, 1,25D3 delays replicative senescence in primary hMSC while the pro-aging effects seen in mouse models might mainly be due to elevated systemic phosphate levels, which propagate organismal aging.
Parent of origin imprints on the genome have been implicated in the regulation of neural cell type differentiation. The ability of human parthenogenetic (PG) embryonic stem cells (hpESCs) to undergo neural lineage and cell type-specific differentiation is undefined. We determined the potential of hpESCs to differentiate into various neural subtypes. Concurrently, we examined DNA methylation and expression status of imprinted genes. Under culture conditions promoting neural differentiation, hpESC-derived neural stem cells (hpNSCs) gave rise to glia and neuron-like cells that expressed subtype-specific markers and generated action potentials. Analysis of imprinting in hpESCs and in hpNSCs revealed that maternal-specific gene expression patterns and imprinting marks were generally maintained in PG cells upon differentiation. Our results demonstrate that despite the lack of a paternal genome, hpESCs generate proliferating NSCs that are capable of differentiation into physiologically functional neuron-like cells and maintain allele-specific expression of imprinted genes. Thus, hpESCs can serve as a model to study the role of maternal and paternal genomes in neural development and to better understand imprinting-associated brain diseases.
Background: Because most human stroke victims are elderly, studies of experimental stroke in the aged rather than the young rat model may be optimal for identifying clinically relevant cellular responses, as well for pinpointing beneficial interventions.
Methodology/Principal Findings: We employed the Affymetrix platform to analyze the whole-gene transcriptome following temporary ligation of the middle cerebral artery in aged and young rats. The correspondence, heat map, and dendrogram analyses independently suggest a differential, age-group-specific behaviour of major gene clusters after stroke. Overall, the pattern of gene expression strongly suggests that the response of the aged rat brain is qualitatively rather than quantitatively different from the young, i.e. the total number of regulated genes is comparable in the two age groups, but the aged rats had great difficulty in mounting a timely response to stroke. Our study indicates that four genes related to neuropathic syndrome, stress, anxiety disorders and depression (Acvr1c, Cort, Htr2b and Pnoc) may have impaired response to stroke in aged rats. New therapeutic options in aged rats may also include Calcrl, Cyp11b1, Prcp, Cebpa, Cfd, Gpnmb, Fcgr2b, Fcgr3a, Tnfrsf26, Adam 17 and Mmp14. An unexpected target is the enzyme 3-hydroxy-3-methylglutaryl-Coenzyme A synthase 1 in aged rats, a key enzyme in the cholesterol synthesis pathway. Post-stroke axonal growth was compromised in both age groups.
Conclusion/Significance: We suggest that a multi-stage, multimodal treatment in aged animals may be more likely to produce positive results. Such a therapeutic approach should be focused on tissue restoration but should also address other aspects of patient post-stroke therapy such as neuropathic syndrome, stress, anxiety disorders, depression, neurotransmission and blood pressure.