Signalling pathways in cell fate specification of pluripotent stem cells

Mgr. Kamil Matulka, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Lidské embryonální kmenové buňky (ES - embryonic stem) jsou pluripotentní kmenové buňky, které mají schopnost neomezené proliferace in vitro a diferenciace do všech buněčný typů dospělého organismu. Tyto vlastnosti je předurčují k mnoha aplikacím jako buněčná terapie, testování léčiv a nástroj vývojové biologie. Většina kultivační systémů je založena na využití fibroblastového růstového faktoru 2 (FGF2 - fibroblast growth factor). V jeho nepřítomnosti či v případě použití inhibitorů jeho receptoru, se buňky rychle diferencují. Ve své dizertační práci, stručně popisuji efektory FGF2 a charakterizuji fenotypy lidských ES buněk, které se diferencující vlivem absence FGF2 či použitím inhibitorů jeho receptorů. Ve své práci také popisuji úlohu FGF signalizace v neurální indukci lidských ES buněk. Efektor FGF signalizace, ERK-1/2, musí být aktivní, aby se lidské ES buňky mohly diferencovat do neuroektodermu. Nicméně přídavek FGF2 do kultivačního média také inhibuje neurální indukci a buňky si zachovávají svůj nediferencovaný charakter. Další signální drahou, která se účastní rozhodování o osudu lidský ES buněk je Akivin /Nodal. Tato dráha je důležitá v podpoře nediferencovaného fenotypu a také reguluje diferenciaci. V ranném vývoji, Akivin /Nodal řídí diferenciaci mezi neuroektodermem a mesentodermem. Nicméně molekulární mechanismy, jimiž se toto rozhodnutí řídí, nejsou dostatečně popsány. Ve své práci popisuji efektor signalizační dráhy Akivin /Nodal, který je pojmenován protein-tyrozin fosfatáza 1B (PTP1B). Ta hraje důležitou úlohu ve specifikaci lidských ES buněk do mesentodermu a inhibuje neurální indukci. PTP1B se vlivem aktivinového receptoru ALK4 štěpí a uvolňuje z endoplasmatického retikula do cytoplazmy. V cytoplazmě defosforyluje ERK-1/2 a tím zamezuje neurální indukci lidských ES buněk a podporuje jejich diferenciaci do mesentodermu.

Abstract:

Human embryonic stem cells (ES) are pluripotent stem cells, which proliferate indefinitely and have the potential to differentiate into any cell type of human body. These abilities grant them the power to become a valuable tool in developmental biology, drug screening and cell therapies. Most of the culture systems for their undifferentiated growth rely on fibroblast growth factor 2 (FGF2) and its absence or inhibition leads to a rapid differentiation. In my thesis, I briefly describe FGF downstream effectors and I also present distinct phenotypes, when FGF2 is missing in culture medium or FGF signalling is inhibited. I also investigated the role of FGF signalling in neural specification of human ES cells. Downstream effector of FGF, ERK-1/2, has to be active, otherwise neural induction is utterly abolished. However, addition of exogenous FGF2 promotes expression of pluripotency genes and drives human ES cells into intense proliferation, which is also contradictory with neural specification. Another important factor in cell fate decision is Activin/Nodal pathway. Its importance in maintenance of undifferentiated human ES cells was repeatedly described, but it also regulates their differentiation. In early development, the Activin/Nodal pathway poses as a switch between the mesodermal and neuroectodermal lineages. The actual mechanisms of Activin/Nodal pathway still remain to be elucidated. In my thesis, I describe a novel downstream effector of Activin/Nodal pathway - protein tyrosine phosphatase 1B (PTP1B), which plays an important role in fate decision between mesendoderm and neuroectoderm of human ES cells. I found that PTP1B is recruited by ALK4 and subsequently cleaved and released from endoplasmic reticulum. Once released from endoplasmic reticulum, PTP1B dephosphorylates ERK-1/2 and dampens neural specification of human ES cells and rather emboldens mesendodermal commitment.

Keywords

lidské embryonální kmenové buňky, neurální indukce, fibroblastový růstový faktor, PTP1B, diferenciace, pluripotence, neuroektoderm, mesentoderm

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 11. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 6. 12. 2013
• Supervisor: prof. Ing. Petr Dvořák, CSc.

Masaryk University

Faculty of Medicine

Doctoral programme / field:
Medical Biology (4-years) / Medical Biology