Molecular role of Pelota (PELO) in differentiation of embryonic and germ stem cells

Abstract

Pelo ist ein evolutionär konserviertes Gen, das in diversen Spezies charakterisiert wurde. In der Maus führt der Verlust von Pelo zu embryonaler Letalität in frühen Postimplantationsstadien. In vitro Studien mit Pelo-null Blastocysten haben gezeigt, dass PELO möglicherweise eine Rolle bei der Regulation des Zellzyklus oder der Selbsterneuerung der pluripotenten Embryonaler Stammzellen (Embryonic Stem Cells, ESCs) spielt. In der vorliegenden Arbeit sollte die molekulare Rolle von PELO bei der Selbsterneuerung und bei der Differenzierung von ESCs und Keimbahnstammzellen mit Hilfe eines konditionalen Pelo Knockout-Mausmodels in Kombination mit in vitro sowie in vivo Experimenten untersucht werden. Im ersten Teil der Arbeit konnten wir zeigen, dass PELO für die Selbsterneuerung von ESCs oder deren Differenzierung in die drei Keimblätter nicht notwendig ist, jedoch unabdingbar ist für die Differenzierung des extraembryonalen Endoderms (ExEn). Im Umkehrschluss wird durch die Überexpression von Pelo in ESCs das Programm zur Differenzierung des ExEn`s aktiviert. Auf molekularer Ebene konnten wir zeigen, dass die beeinträchtigte Differenzierung des ExEn`s in Pelo-defizienten Embryoidkörpern (Embryonic Bodies, EBs) aus einer reduzierten Aktivität des Bone Morphogenetic Proteins (BMP) resultiert. Dieses Ergebnis wurde durch weitere Experimente bestätigt, die gezeigt haben, dass Pelo-defiziente Zellen durch Behandlung mit BMP4 in das ExEn differenzieren können. In vivo Studien haben gezeigt, dass Pelo-null Embryonen am Tag 6.5 (E6.5) das ExEn besitzen, jedoch an E7.5 versterben. Dies lässt vermuten, dass PELO nicht für die Induktion der Entwicklung des ExEn`s notwendig ist, sondern vielmehr für dessen Erhaltung oder abschließende Differenzierung in das funktionelle viszerale Endoderm, das den Embryo mit Wachstumsfaktoren für die weitere Entwicklung versorgt. Zudem ist PELO notwendig für die BMP-Aktivierung zu Beginn der somatischen Zellreprogrammierung. Der Verlust von PELO beeinträchtigt die Reprogrammierung zur induzierten Pluripotenz. Außerdem konnten wir die konservierte Funktion von PELO im Qualitätskontrollmechanismus der RNA in murinen ESCs feststellen. Im zweiten Teil der Arbeit haben wir demonstriert, dass die Pelo-Expression essentiell für die Erhaltung der männlichen Fertilität und Spermatogenese ist. Der Verlust von Pelo während der Entwicklung von männlichen Keimzellen in Mäusen hat gezeigt, dass PELO für die Selbsterneuerung und Erhaltung der Spermatogonialen Stammzellen (Spermatogonial Stem Cells, SSCs) notwendig ist, jedoch für die Entwicklung der späteren Spermatogenesestadien sowie die Spermienfunktion erlässlich ist. Insgesamt zeigen unsere Studien die molekulare Rolle(n) von PELO in der frühen Embryonalentwicklung der Maus und bei der männlichen Fertilität auf. Unsere Ergebnisse geben Hinweise auf Ursachen von Defekten, die mit dem PELO Verlust zusammenhängen.