The role of growth factors in self-renewal and differentiation of human embryonic stem cells

Ing. Lívia Eiselleová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Lidské embryonální kmenové (EK) buňky jsou charakterizovány schopností sebeobnovy a pluripotence. Regulační mechanismy podmiňující tyto vlastnosti závisí na vnitřních a vnějších programech, přičemž ty vnější jsou zabezpečovány okolním mikroprostředím známým jako nika. Většina linií lidských EK buněk je kultivována v přítomnosti tzv. „feedrových“ podpůrných buněk, které umožňují jejich přichycení, poskytují jim růstové faktory a tak vytvářejí jedinečné prostředí, které udržuje lidské EK buňky v nediferencovaném stavu. Pro kultivaci lidských EK buněk již bylo testováno mnoho podpůrných vrstev, které se však liší ve své podpůrné schopnosti. V této studii jsme posoudili expresi a sekreci růstových faktorů, které jsou asociovány s pluripotencí nebo diferenciací u pěti linií lidských fibroblastů, autologních fibroblastů derivovaných z embryonálních EK buněk a u primárních myších embryonálních fibroblastů. Naše výsledky naznačují, že schopnosti podpůrné feedrové vrstvy přímo souvisí s jejich schopností produkovat růstové faktory. Dále naše studie dokazuje komplexní úkol růstového faktoru FGF-2, který, zdá se, u lidských EK buněk hraje dvě odlišné role: přímo podporuje jejich sebeobnovu (endogenní FGF-2) a stimuluje buňkové přežívaní a adhezi (exogenní FGF-2), což jsou dva jevy, které nepřímo souvisí s nediferencovaným růstem lidských EK buněk. Zjistili jsme, že stresové podmínky zvyšují syntézu FGF-2, který sehrává protektivní úlohu v buněčné smrti indukované stresem. Na druhou stranu exogenní FGF-2 zvyšuje klonogenní kapacitu EK buněk. Tato data naznačují, že exogenní FGF-2 přispívá k buněčnému přežívání a adhezi lidských EK buněk.

Abstract:

Human embryonic stem cells (hESCs) are characterized through their self-renewal capacity and pluripotency. The underlying regulatory mechanism to maintain these characteristics is based on both extrinsic and intrinsic programs where extrinsic signals are provided by external microenvironment, so-called niche. Most of hESCs lines are co-cultured with feeder cells that improve their attachment and provide them with stemness-supporting factors thus creating an unique environment that maintain hESCs undifferentiated. Various types of feeder cells have been introduced for the culture of hESCs but they do not support undifferentiated hESCs growth equally. In this study, we examined the expression and secretion of growth factors known to be associated with pluripotency and/or differentiation among five lines of human foreskin fibroblasts, autologous fibroblasts derived from hESCs themselves, and primary mouse embryonic fibroblasts throughout a standard hESC culture procedure. Our results suggest that the ability of a feeder layer to promote the undifferentiated growth of hESCs is attributable to its growth factor production. Furthermore, our study demonstrates a complex role for crucial growth factor fibroblast growth factor-2 (FGF-2) that plays distinct roles in hESCs: it directly supports their self-renewal (endogenous FGF-2) and stimulates cell survival and adhesion (exogenous FGF-2), two features that may indirectly account for undifferentiated growth. Synthesis of FGF-2 in hESCs is increased in response to stress conditions and FGF-2 plays a protective role in stress-induced cell death. Here we also show that exogeneus FGF-2 increases colony forming efficiency after dissociation into a single cell suspension. These data suggests that the addition of exogeneus FGF-2 contribute to cell survival and adhesion of hESCs.

Keywords

Human embryonic stem cells, growth factor production, fibroblast growth factor-2, undifferentiated growth, self-renewal, cell survival, adhesion

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 1. 2012

Thesis defence

• Date of defence: 27. 1. 2012
• Supervisor: prof. Ing. Petr Dvořák, CSc.

Masaryk University

Faculty of Medicine

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