Regulation of Neural Crest Stem Cell Development. Stine Büchmann-Møller

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1 Diss ETH No 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

2 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. 1

3 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. 2

4 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 3

5 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 4

6 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. 5

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