From neural stem cells to precursors : Molecular regulation of self-renewal and differentiation

Stem cells are responsible for tissue turnover throughout lifespan. Only highly controlled specific environment, the stem cell niche , can sustain undifferentiated stem cell-pool. The balance between maintenance and differentiation is crucial for individual s health: uncontrolled stem cell self-renewal or proliferation can lead to hyperplasia and mutations that further provoke malignant transformation of the cells. On the other hand, uninhibited differentiation may result in diminished stem cell population, which is unable to maintain tissue turnover. The mechanisms that control the switch from maintenance to differentiation in stem cells are not well known. The same mechanisms that direct the self-renewal and proliferation in normal stem cells are likely to be also involved in maintenance of cancer stem cell . Cancer stem cells exhibit stem cell like properties such as self-renewal- and differentiation capacity and they can also regenerate the tumor tissue. In this thesis, I have investigated the effect of classical oncogenes E6/E7 and c-Myc, tumor suppressors p53 and retinoblastoma (pRb) family, and vascular endothelial growth factor (VEGF) subfamily and glial cell line-derived neurothropic factor (GDNF) family ligands on behavior of embryonic neural stem cells (NSCs) and progenitors. The study includes also the characterization of cytoskeletal tumor suppressor neurofibromatosis 2 (NF2) protein merlin and ezrin-radixin-moesin (ERM) protein ezrin expression in neural progenitors cells and their progeny. This study reveals some potential mechanisms regarding to NSCs maintenance. In summary, the studied molecules are able to shift the balance either towards stem cell maintenance or differentiation; tumor suppressor p53 represses whereas E6/E7 oncogenes and c-Myc increase the proportion of self-renewing and proliferating NSCs or progenitors. The data suggests that active MEK-ERK signaling is critical for self-renewal of normal and oncogene expressing NSCs. In addition, the results indicate that expression of cytoskeletal tumor suppressor merlin and ERM protein ezrin in central nervous system (CNS) tissue and progenitors indicates their role in cell differentiation. Furthermore, the data suggests that VEGF-C a factor involved in lymphatic system development, angiogenesis, neovascularization and metastasis but also in maintenance of some neural populations in brain is a novel thropic factor for progenitors in early sympathetic nervous system (SNS). It seems that VEGF-C dose dependently through ERK-pathway supports the proliferation and survival of early sympathetic progenitor cells, and the effect is comparable to that of GDNF family ligands.Kantasolut ovat erilaistumattomia soluja, jotka pystyvät tuottamaan uusia kudosten toiminalle välttämättömiä erilaistuneita soluja. Hermokudoksen kantasolut erilaistuvat joko hermosoluiksi tai kahdeksi eri hermotukisoluiksi: astrosyyteiksi ja oligodendrosyyteiksi. Kantasolujen säätely on erityisen tärkeää, sillä näiden liiallinen määrä voi johtaa kudoksen kontrolloimattomaan kasvuun ja lisätä siten syöpäriskiä. Toisaalta, liian vähäinen määrä kantasoluja ei kykene ylläpitämään kudoksen normaalia uusiutumista. Kantasolujen uusiutumisen- ja erilaistumisen säätelymekanismit ovat suurelta osin tuntemattomia. Tässä väitöskirjatyössä on tutkittu muutamia mahdollisia hermokantasolujen ylläpitoon vaikuttavia mekanismeja. Myös syöpäkasvaimista on löydetty kantasolun kaltaisia soluja. Samoin kuin normaalit kantasolut myös nämä ns. syöpäkantasolut kykenevät erilaistumaan ja uusiutumaan, ja luultavasti ne hyödyntävät samoja säätelymekanismeja kuin mitä normaalit kantasolut. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin kuinka tietyt solujen hallitsematonta kasvua edistävät tekijät eli onkogeenit ja solujen kasvua hillitsevät tekijät kuten tuumorisuppressorit vaikuttavat normaalien hiiren sikiöstä eristettyjen hermokantasolujen toimintaan. Tutkimustulokset osoittavat että tuumorisuppressorit, kuten p53 ja pRb proteiiniperheiden jäsenet, ovat todennäköisesti kantasolujen uusiutumista kontrolloivia tekijöitä. Virusperäisten onkogeenien mallina käytetyt HPV 16 E6/E7 onkogeenit ja normaaliin kehitykseen liittyvän c-Myc onkogeenin yli-ilmentyminen puolestaan lisää hermokantasolujen uusiutumista ja jakautumista sekä ylläpitää solujen kantasoluominaisuuksia. Tutkimus osoittaa myös, että solun sisäinen MEK/ERK signaalireitti on luultavasti yksi hermokantasolujen uusiutumiselle tärkeä säätelytekijä. Tutkimuksessa selvitettiin myös NF2 geenin ilmentämän tuumorisuppressoriproteiinin merlinin ja ERM-proteiinin ezrinin ilmentymistä keskushermostossa ja hermokantasoluissa. Tulokset viittaavat siihen, että myös nämä soluntukirankaan liittyvät proteiinit osallistuvat keskushermoston kehitykseen ja hermokantasolujen erilaistumiseen. Viimeiseksi vaitöskirjatyössä selvitettiin VEGF-C-kasvutekijän osuutta sympaattisen hermorungon kehitykseen. VEGF-C on imusuonten kehittymiselle välttämätön kasvutekijä, joka vaikuttaa myös verisuonten ja syövän etäispesäkkeiden kasvuun. Tulokset osoittavat, että sympaattisen hermorungon kehitys Vegf-c-poistogeenisillä hiiren sikiöillä on häiriintynyt, ja että VEGF-C lisää sympaattisen hermorungon kantasolujen jakautumista ja elinkykyä kasvatusolosuhteissa. Tämä viittaa siihen, että VEGF-C on uusi varhaisen sympaattisen hermorungon kasvutekijä