Stage-specific germ cell marker genes function in establishment and germ cell lineage commitment of pluripotent stem cells

Abstract

Keimzellen transferieren genetische und epigenetische Informationen von Generation zu Generation. Ihre Eigenschaften haben Forscher angespornt, die molekularen Eigenschaften, die diese Besonderheit regulieren oder aufrechterhalten, zu untersuchen. Die jüngsten Entwicklungen haben gezeigt, dass eine Umwandlung von Stammzellen der Keimbahn zu pluripotenten Stammzellen möglich ist, was eine reziproke Beziehung dieser Zellen impliziert. Übereinstimmend mit diesen Ergebnissen haben mehrere Studien die Expression einiger Keimzellmarker (germ stem cell marker, GC marker) sowie prämeiotischer Marker (premeiotic marker, PrM marker) in verschiedenen pluripotenten Zelltypen aufgezeigt. Die Funktion und Relevanz der Expression dieser Markergene für die Etablierung sowie Erhaltung der Pluripotenz sind jedoch weitestgehend unbekannt. Im Rahmen dieser Studie sollte die Rolle von GC- und PrM Markergenen bei der Etablierung und Erhaltung sowohl der Pluripotenz als auch der Differenzierung aufgeklärt werden. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit konnten wir zeigen, dass ausgewählte GC- und PrM Markergene in allen analysierten pluripotenten Stammzellen exprimiert werden, was auf einen gemeinsamen Keimzellursprung von pluripotenten Stammzellen schließen lässt. Weiterhin werden GC Markergene vor der Aktivierung von Pluripotenzgenen während der Reprogrammierung somatischer Zellen zu induzierten, pluripotenten Zellen (iPS-Zellen) aktiviert. Zusammen mit den vorliegenden molekularen Beweisen für die in vivo Keimzellspezifizierung lassen diese Ergebnisse vermuten, dass während der frühen Phasen der Reprogrammierung somatischer Zellen eine temporäre Keimzellorientierung existiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit haben wir mittels Reprogrammierungsversuchen mit somatischen Zellen die Funktion ausgewählter GC Markergene bei der Etablierung und Erhaltung der authentischen Pluripotenz untersucht. Kürzlich wurde gezeigt, dass fehlerhaftes Imprinting am Dlk1-Dio3 Lokus hauptsächlich während der Etablierung von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) auftritt. Interessanterweise wiesen alle iPS Zelllinien, die mit dem Dppa3 als ein GC Markergen generiert wurden, ein korrektes Imprintingmuster am Dlk1-Dio3 Lokus auf. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass GC Markergene, insbesonders Dppa3, wichtig für die Etablierung authentischer Pluripotenz sind. Im dritten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von Dazl als ein PrM Markergen in post-transktiptionellen Regulationsmechanismen sowohl in pluripotenten Stammzellen als auch in Keimzellen untersucht. Unsere Ergebnisse deuten daraufhin, dass Dazl die Keimzellspezifizierung befördert und möglicherweise als ein translationeller Repressor fungiert, der die Balance zwischen dem Beitrag zur Keimbahn und zur Pluripotenz aufrechterhält. Zusammenfassend betonen die Ergebnisse unserer Studien die Bedeutung von GC Markergenen in der Etablierung der Pluripotenz in vivo und in vitro und bekräftigen die Hypothese eines Keimzellursprungs aller pluripotenten Stammzellen. Somit konnten unsere Arbeiten einen Beitrag zur Analyse der Rolle von GC und PrM Markergenen in pluripotenten Stammzellen geben.