Neural stem cell characteristics affected by oncogenic pathways and in a human motoneuron disease

Abstract

Neural stem cell characteristics affected by oncogenic pathways and in a human motoneuron disease

Stem cells provide the self-renewing cell pool for developing or regenerating organs. The mechanisms underlying the decisions of a stem or progenitor cell to either self-renew and maintain multipotentiality or alternatively to differentiate are incompletely understood. In this thesis work, I have approached this question by investigating the role of the proto-oncogene Myc in the regulatory functions of neural progenitor cell (NPC) self-renewal, proliferation and differentiation.

By using a retroviral transduction technique to create overexpression models in embryonic NPCs cultured as neurospheres, I show that activated levels of Myc increase NPC self-renewal. Furthermore, several mechanisms that regulate the activity of Myc were identified. Myc induced self-renewal is signalled through binding to the transcription factor Miz-1 as shown by the inhibited capacity of a Myc mutant (MycV394D), deficient in binding to Miz-1, to increase self-renewal in NPCs. Furthermore, overexpression of the newly identified proto-oncogene CIP2A recapitulates the effects of Myc overexpression in NPCs. Also the expression levels and in vivo expression patterns of Myc and CIP2A were linked together. CIP2A stabilizes Myc protein levels in several cancer types by inhibiting its degradation and our results suggest the same function for CIP2A in NPCs. Our results also support the conception of self-renewal and proliferation being two separately regulated cellular functions. Finally, I suggest that Myc regulates NPC self-renewal by influencing the way stem and progenitor cells react to the environmental cues that normally dictate the cellular identity of tissues containing self-renewing cells.

Neurosphere cultures were also utilised in order to characterise functional defects in a human disease. Neural stem cell cultures obtained post-mortem from foetuses of lethal congenital contracture syndrome (LCCS) were used to reveal possible cell autonomous differentiation defects of patient NPCs. However, LCCS derived NPCs were able to differentiate normally in vitro although several transcriptional differences were identified by using microarray analysis. Proliferation rate of the patient NPCs was also increased as compared to NPCs of age-matched control foetuses.

Miten hermokantasolu tietää olevansa hermokantasolu? Tutkimuksia syöpägeenien sekä sikiönaikaisen motoneuronisairauden vaikutuksista hermokantasolujen identiteetin säätelyyn.

Sikiönkehityksen aikana kehittyvän yksilön solut käyttävät sellaisia geenejä, joiden koodaamien proteiinien avulla yksilön solut jakaantuvat, kasvavat ja pystyvät vaeltamaan pitkiäkin matkoja lopullisiin kohteisiinsa. Sikiönkehityksen päättyessä suurin osa soluista on ns. erilaistuneita soluja, jotka ylläpitävät määrättyä toimintaansa ja kehityksen aikaisten geenien toiminta hiljennetään pysyvästi DNA:n kierrerakenteen säätelyn avulla. Mikäli soluun kohdistuu myöhemmin mutaatioita, joiden vuoksi nämä hiljennetyt geenit uudelleen kontrolloimattomasti aktivoituvat, saattaa seurauksena olla syöpä. Näitä toimintoja ylläpitäviä geenejä kutsutaankin sekä kehitysgeeneiksi että syöpägeeneiksi eli onkogeeneiksi.

Väitöskirjatyössä tutkittiin Myc-onkogeenin roolia sikiönaikaisten hermokantasolujen säätelyssä. Hiiren sikiön aivoista eristetetyillä hermokantasoluilla tehdyt tulokset osoittavat, että Myc-onkogeenin toiminnalla on keskeinen osa uusiutumiskyvyn säätelyssä. Myc-proteiinin avulla hermokantasolu pystyy säilymään erilaistumattomana ja jatkuvasti tuottamaan uusia erilaistumiskykyisiä jälkeläisiä. Myc-signaloinnin osoitettiin kulkevan Miz-1 proteiinin kautta ja Myc-proteiinin ilmentymisellä löytyi yhteys CIP2A-onkogeenin ilmentymisen kanssa.

Lisäksi väitöskirjassa tutkittiin suomalaiseen tautiperimään kuuluvan sikiöaikaiseen kuolemaan johtavan Lethal Congenital Contructure Syndrome -taudin syitä. LCCS-sikiöistä otettujen hermokantasolujen toimintaa verrattiin normaaleihin sikiön kantasoluihin. LCCS-sikiöiden erityispiirre on kehon lihaksia hermottavien ns. motoneuronien puuttuminen. Tulokset osoittavat, että in vitro-olosuhteissa LCCS-sikiöden hermokantasolut kuitenkin erilaistuivat normaalisti kaikiksi hermosolutyypeiksi ja siis myös motoneuroneiksi. Tulosten perusteella taudin syy lienee häiriö kudosten ja solujen välisessä signaloinnissa, jonka lopputuloksena motoneuronit eivät kehity in vivo.

Hermokantasolujen säätelymekanismien tunteminen on ensiarvoisen tärkeää, koska niiden hyödyntämiseksi hermorappeumaa sairastavien (esim Alzheimer tai MS-tauti) tai onnettomuuksissa halvaantuneiden potilaiden hoidossa on suuret odotukset. Onnistuneen hoidon takaamiseksi ennen hermokantasolujen potilaskäyttöä on kuitenkin varmistuttava, että on riittävästi tietoa siitä, miten solujen erilaistumista säädellään ja miten kantasolujen määrää pystytään tarpeeksi lisäämään. Tarvitaan siis perustietoa, jota tämäkin tutkimus osaltaan edistää.