Regulation of Neural Crest Stem Cell - ETH E

Diss ETH No. 18562
Regulation of Neural Crest Stem Cell Development
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
Stine Büchmann-Møller
Cand. Scient.
University of Copenhagen, Denmark
born April 1, 1976
Citizen of Denmark
Accepted on the recommendation of
Prof. Ueli Suter, examiner
Prof. Lukas Sommer, co-examiner
Prof. David Wolfer, co-examiner
2009
Abstract
1 Abstract
Stem cells have a high potential for replacement and transplantation in regeneration of
destroyed tissue in the body. To take advantage and benefit from this capability, one
needs to understand the development of the body and the molecular mechanisms by
which stem cells give rise to progenitor cells from which fully differentiated cells
develop. With this knowledge, it will be easier to generate the correct cells for future
transplantations. The achievement of stem cell therapy is coming closer with the new
technique to induce pluripotent cells from human somatic cells.
The neural crest provides a fascinating tool to study stem cells in development. The
neural crest stem cells are invasive, and after delamination from the neural tube they
migrate throughout the body to reach their postmigratory sites where they finally
differentiate. Among neural crest derivatives are the pheripheral nervous system,
including sensory and autonomic neurons and Schwann cells, the cardiac outflow
tract, the craniofacial skeleton and cartilage, and melanocytes.
This thesis addresses two questions: First, the role of Smad4 in neural crest
development, and second, the intracellular mechanism of neural crest stem cell
maintenance. Therefore the results (including the discussion) are given in two parts.
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Abstract
The first part describes the role of Smad4 in neural crest development. Canonical
TGF- family signaling relays on the Smad transcription factor family. It was
previously shown that in cell culture, TGF- directs neural crest cells to become
smooth muscles cells, while another TGF- family member, BMP, drives neural crest
cells to autonomic neurons. It was found that Smad4, which is downstream of TGF-
and BMP, has neural crest lineage-specific roles. Survival of smooth muscle cells
lining the pharyngeal arch arteries is dependent on Smad4 signaling, as is the
generation of the cardiac outflow tract. Unexpectedly, the Ngn1 and TrkA sensory
lineage in the trigeminal ganglia depends on BMP-Smad signaling. Interestingly,
however, maturation of autonomic neurons was found not to rely on canonical BMP
signaling. Instead proliferation was decreased in Smad4-deficient autonomic
progenitors.
The second part of the thesis is on potential intracellular mechanism underlying
maintenance of neural crest stem cells by the growth factors Wnt and BMP. The
canonical Wnt and BMP pathways are involved in neural crest stem cell maintenance,
but this role could not be confirmed in vivo. Furthermore, several interesting genes
regulated by Wnt and BMP treatment were identified in a gene expression analysis.
Among these genes were Ids, Cxxc5 and Zcchc12.
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Compendio
2 Compendio
Le cellule staminali hanno un ruolo centrale nella rigenerazione di tessuti lesi e
un’alto potenziale nella terapia rigenerativa. Per rendere effettiva tale potenzialità, è
imperativo comprendere come i tessuti si sviluppano e quali sono i mecchanismi
molecolari che regolano la transizione delle cellule staminali in cellule progenitrici,
ed infine in cellule differenziate. La possibilità di utilizzare le cellule staminali in
terapie sostitutive è stata recentemente incoraggiata dalla messa appunto di tecniche
che consentono di indurre cellule somatiche adulte ad acquisire capacità simili alle
cellule staminali.
La cresta neuronale rappresenta un importante modello per studiare la biologia delle
cellule staminali durante lo sviluppo embrionale. Le cellule staminali della cresta
neuronale sono altamente invasive, infatti dopo il processo di delaminazione dal tubo
neuronale, migrano attraverso l’organismo e raggiungo i luoghi dove si avrà la loro
completa differenziazione. Tra i derivati della cresta neuronale vanno elencate cellule
del sistema nervoso periferico, tra cui neuroni sensoriali e autonomi e le cellule di
Schwann; cellule cardiache; cellule dello scheletro cranio-facciale e melanociti.
La presente tesi affronta due domande di fondamentale importanza nella biologia
delle cellule staminali della cresta neuronale: in primo luogo ci si pone il compito di
definire il ruolo di Smad4 durante lo sviluppo della cresta neuronale, e in secondo
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Compendio
luogo di studiare i mecchanismi che governano il mantenimento delle cellule
staminali della cresta neuronale stesse. Per tale ragione i risultati e la discussione
verranno trattati in due sezioni distinte.
Nella prima parte si descrive il ruolo giocato da Smad4 nello sviluppo della cresta
neuronale. Il sistema d’azione canonico di TGF- avviene attraverso l’attivazione di
Smad4. In precendenza è stato dimostrato in vitro che TGF- induce le cellule della
cresta neuronale a differenziarsi in cellule muscolari liscie, mentre BMP, un altro
membro della famiglia TGF-, porta le cellule della cresta neuronale a diventare
neuroni autonomi. Inoltre è stato osservato che Smad4, che media l’attività sia di
TGF- che di BMP, ha un ruolo fondamentale nel definire le linee di differenziazione
delle cellule della cresta neuronale. La sopravvivenza delle cellule muscolari lisce
dell’arco faringeo è regolato da Smad4, come la generazione del tratto cardiaco di
uscita. Inaspettatamente, entrambe le linee sensoriali Ngn1 e TrKA dei gagli trigemini
dipendono dal segnale BMP-Smad. Seppur la maturazione dei neuroni autonomi non
dipende dal mecchanismi canonici utilizzati da BMP, in assenza di Smad4 la
popolazione di progenitori dei neuroni autonomi appare notevolmente ridotta.
La seconda parte della tesi tratta i mecchanismi intracellulari di mantenimento delle
cellule della cresta neuronale regolati dai fattori di crescita Wnt e BMP. I segnali
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Compendio
canonici attivati da Wnt e BMP sono coinvolti nel mantenimento delle cellule della
cresta neuronale. Sfortunatamente non è stato possibile confermare tale osservazione
in vivo. Inoltre, molti geni interessanti regolati da Wnt e BMP sono stati individuati
utilizzando un analisi di espressione genica. Tra questi geni citiamo Ids, Cxxc5 e
Zcchc12.
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