Dokument: New insights into signaling pathways controlling pluripotency and differentiation in human induced pluripotent stem cells

Titel:	New insights into signaling pathways controlling pluripotency and differentiation in human induced pluripotent stem cells
Weiterer Titel:	Neue Erkenntnisse über Signalwege zur Steuerung der Pluripotenz und Differenzierung in humanen induziert pluripotenten Stammzellen
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=50551
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20190821-111517-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Haghighi, Fereshteh [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 53,56 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 18.08.2019 / geändert 18.08.2019
Beitragende:	Prof. Dr. Ahmadian, Reza [Gutachter] Prof. Urlacher, Vlada [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Stammzellen sind undifferenzierte Zellen, die kontinuierlich proliferieren (Selbsterneuerung) und in verschiedene Zelltypen differenzieren können (Omni- bzw. Pluripotenz). Innerhalb der Stammzellen unterscheidet man basierend auf ihrer Differenzierungspotenz verschiedene Subklassen. Pluripotente Stammzellen (PSCs) umfassen embryonale Stammzellen (ESCs), gewonnen aus der inneren Zellmasse von Blastozysten, sowieinduzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs), die aus reprogrammierten somatischen Zellen generiert werden können. Humane iPSCs (hiPSCs) wurden in den letzten Jahren eingehend bezüglich verschiedener Anwendungsmöglichkeiten in der Entwicklungsbiologie und der regenerativen Medizin untersucht. hiPSCs zeigen ein besonders großes Potential im Modellieren humaner Erkrankungen in vitro. Durch die initiale Reprogrammierung patienteneigener Zellen zu Stammzellen, welche die krankheitsrelevante Mutation enthalten, können Differenzierungen in krankheitsrelevante Zelltypen durchgeführt und diese untersucht werden. Um das Potential von hiPSCs in klinischen Anwendungen zu untersuchen, ist es von größter Bedeutung zunächst die molekularen Mechanismen der Pluripotenz sowie die zugrundeliegenden intrazellulären Signalwege zu verstehen. Diese Dissertation untersucht den molekularen Mechanismus des Übergangs von Pluripotenz zur Differenzierung mit dem Fokus auf die bFGF induzierte Signaltransduktion in hiPSCs. Die gewonnenen Befunde sprechen für eine dominante Rolle des RAS-MAPK Signalwegs in der bFGF-induzierten Aufrechterhaltung der Pluripotenz. Interessanterweise zeigten auch andere untersuchte Signalwege, wie p38MAPK und JAK/STAT3, eine differenzierungsassoziierte Aktivierung. Eine Analyse der RAS-Isoformen lässt vermuten, dass NRAS die Verbindung zwischen dem bFGF-Rezeptor und dem MAPK-Signalweg darstellt und dadurch die Pluripotenz der hiPSCs aufrechterhält. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass Mutationen in Genen des RAS-MAPK Signalweges zu Entwicklungsstörungen (wie z.B. dem Noonan Syndrom) führen, welche kollektiv als RASopathien beschrieben werden. Eines der mutierten Noonan-assoziierten Gene ist RAF1. Individuen mit einer RAF1S257L-Punktmutation entwickeln mitunter häufig eine pathologische hypertrophe Kardiomyopathie (HCM), deren zugrundeliegender molekularer Mechanismus kaum verstanden ist. Wir generierten daher Kardiomyozyten aus patientenspezifischen iPSCs mit einer RAF1S257L-Mutation. Diese Kardiomyozyten spiegeln den Phänotyp der HCM wieder, gezeichnet durch Charakteristika wie insbesondere Zellvergrößerung, Expression fetaler Gene, Steigerung der sarkomeren Proteinsynthese, abnormale Sarkomerstruktur, Wechsel der schweren Myosin-Ketten von beta nach alpha, gesteigerte Kalziumtransienten, und erhöhte kardiale Kontraktilität. Analysen der Signaltransduktion bestätigten eine höhere MAPK-Aktivität in mutanten Kardiomyozyten. Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass die gesteigerte RAS-MAPK-Signalwegintensität in RAFS257L-Kardiomyozyten verantwortlich ist für den beobachteten HCM-Phänotyp. Das Fragile-X-Syndrom (FXS) ist eine weitere Entwicklungsstörung, die auf dem Verlust des FMR1 Genproduktes FMRP (fragile mental retardation protein) basiert. FMRP spielt hierbei eine entscheidende Rolle in zentralen Vorgängen in verschiedensten Zelltypen, insbesondere Chromatin-Regulation, RNA-Bindung und -Stabilität, mRNA Transport, und Translation. Zugrundeliegende Mechanismen und das zelluläre FMRP Proteinnetzwerks sind jedoch größtenteils unverstanden. In dieser Arbeit wurden daher zahlreiche neue FMRP-bindende Proteine beschrieben und deren Interaktionsnetzwerk in verschiedenen zellulären Prozessen untersucht. Basierend auf den gewonnenen Daten lässt sich FMRP als zentrales Regulationsprotein in verschiedensten biologischen Prozessen unterschiedlicher Zelltypen einglie Stem cells are a population of undifferentiated cells which are defined by their ability to differentiate into various cell types (potency) and continuous proliferation (self-renewal). There are different sources of stem cells based on their potency. Pluripotent stem cells (PSCs) include embryonic stem cells (ESCs) derived from the inner cell mass of blastocyst and induced pluripotent stem cells (iPSCs) reprogrammed from somatic cells. Human iPSCs (hiPSCs) are widely studied in recent years owing to their different applications in developmental biology and regenerative medicine. They have broad potentials especially in human disease modeling in vitro by starting with reprogramming cells from patients to hiPSCs containing the disease-causing mutation(s) followed by differentiating to disease-relevant cell types. In order to realize the potential of hiPSCs in clinical applications, it is crucial to first address fundamental questions regarding their molecular nature of pluripotency and the underlying intracellular signaling pathways which maintain the characteristics of these cells. This doctoral thesis explored the molecular mechanisms involved in the transition from pluripotency to differentiation with the focus on bFGF signaling in hiPSCs. Our results revealed the prominent role of RAS-MAPK pathway as a downstream target of bFGF in maintaining pluripotency in hiPSCs as compared to other pathways, such as PI3K/AKT and JNK, which remain unchanged during differentiation. Interestingly, p38MAPK and JAK/STAT3 pathways were activated upon differentiation. Further analysis of RAS isoforms, showed that NRAS is the link between bFGF receptor and MAPK pathway leading to hiPSCs pluripotency. It has been shown that mutations in genes of RAS-MAPK pathway can lead to a group of developmental disorders called RASopathies, such as Noonan syndrome (NS). One of the mutated genes in NS patients in RAS-MAPK pathway is RAF1. Patients with RAF1S257L point mutation frequently display pathological hypertrophic cardiomyopathy (HCM), however, the underlying molecular mechanism is poorly understood. Thus, we generated iPSCs from a patient carrying RAF1S257L mutant and differentiated them to cardiomyocytes. Interestingly, patient-derived cardiomyocytes recapitulated the HCM phenotype, such as cell size enlargement, expression of fetal genes, as well as an increased sarcomere protein synthesis and myosin heavy chain beta to alpha switch with an abnormal sarcomere structure, increased calcium transient and cardiac contractility. Signaling analysis also confirmed a higher MAPK activity in mutant cardiomyocytes. These findings indicate that an increased RAS-MAPK signaling pathway in RAF1S257L cardiomyocytes may regulate the observed HCM phenotype. Fragile X syndrome (FXS) represents another developmental disorder that is based on the loss of FMR1 gene which produce fragile X mental retardation protein (FMRP). FMRP plays a critical role in chromatin regulation, RNA binding, mRNA transport, and translation in many cell types, including several types of stem cells. However, the underlying mechanisms including the cellular FMRP protein networks remain elusive. This thesis has explored novel FMRP interacting proteins and their interaction networks in multiple cellular processes, suggesting that FMRP is central in several biological processes in various cell types.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Medizinische Fakultät » Institute » Institut für Biochemie und Molekularbiologie II
Dokument erstellt am:	21.08.2019
Dateien geändert am:	21.08.2019
Promotionsantrag am:	28.01.2019
Datum der Promotion:	10.07.2019