Analysis of murine hematopoietic and neural stem cells´ potential of differentiation after modification of their gene expression

In der vorliegenden Arbeit wurde das Differenzierungspotential muriner hämatopoetischer und neuraler Stammzellen nach Modifikation ihrer Genexpression untersucht. Zur Veränderung der Genexpression wurden für die beiden adulten Stammzelltypen zwei unterschiedliche experimentelle Ansätze gewählt: In hämatopoetischen Stammzellen wurden molekulare Regulatoren der Hämatopoese durch retroviral vermittelten Gentransfer überexprimiert und anschließend ihr in vitro Verhalten und in vivo in Maustransplantationsmodellen ihre Rekonstitutionsfähigkeit untersucht. Neurale Stammzellen wurden gleichzeitig mit den Chromatin-modifizierenden Substanzen Trichostatin A (TSA) und 5-Aza-2´-desoxycytidin (AzadC) behandelt, im Anschluß ihre Sensitivität gegenüber der Behandlung in vitro bestimmt und ihr hämatopoetisches Entwicklungspotential in vivo analysiert. In hämatopoetischen Stammzellen wurde der Transkriptionsfaktor HOXB4, die hämatopoetische Vorläuferkinase 1 (HPK1) oder eine Kinase-inaktive Mutante der HPK1 (HPK1M46) durch retrovirale Transduktion überexprimiert. Der Transfer wildtypischer HPK1 oder HPK1M46 Gene in Knochenmarkzellen hatte in vitro keinen meßbaren Einfluß auf die Proliferation und Anzahl primitiver Vorläuferzellen, was auch nach Expression verschiedener Proteinmengen beobachtet wurde. Das Repopulationsverhalten hämatopoetischer Stammzellen, die mit wildtypischer HPK1 transduziert wurden, war vergleichbar mit dem kontrolltransduzierter Stammzellen. Nach HPK1M46 Transduktion zeigten hämatopoetische Stammzellen in vivo ein reduziertes Langzeitrepopulationsverhalten und Knochenmarkzellen ex vivo ein eingeschränktes Koloniebildungspotential. Sowohl mit wildtypischer HPK1 als auch mit HPK1M46 transduzierte hämatopoetische Stammzellen wiesen ein normales Multilinienbesiedlungspotential auf. Nach Transduktion von Knochenmarkzellen mit HOXB4, einem wichtigen Regulator der Selbsterneuerung hämatopoetischer Stammzellen, konnten diese in vitro expandiert werden, ohne daß sie, wie dies bei kontrolltransduzierten Knochenmarkzellen auftrat, phänotypisch Differenzierungsmarker ausbildeten. Nach HOXB4 Transduktion akkumulierte eine homogene, Mac-1niedrig exprimierende Zellpopulation im Gegensatz zu einer Mac-1hoch, Gr-1 sowie c-kit positiven Population, die sich in den Kontrollkulturen entwickelte. Auf mRNS Ebene wurden nur in den Kontrollkulturen Transkripte hochreguliert, die für differenzierende Zellen spezifisch sind, wie z. B. Zyklin D1 während myeloider Differenzierung. Die Überexpression von HOXB4 ermöglichte eine konstante Proliferationsrate und hatte auf das Verhältnis von asymmetrischen zu symmetrischen Zellteilungen jedoch keinen Einfluß. Entsprechend blieb das Expressionsmuster an Zyklinen, Zyklin-abhängigen Kinasen und Mitgliedern des Transkriptionsaktivators AP-1 in HOXB4 transduzierten Knochenmarkzellen über den beobachteten Zeitraum konstant. Durch die Überexpression von HOXB4 kann somit in kultivierten Knochenmarkzellen in vitro eine stabile Proliferationsrate induziert und parallel eine fortschreitende Differenzierung der Knochenmarkkultur aufgehalten oder zumindest verzögert werden. Sowohl wildtypische als auch bcl-2 transgene neurale Stammzellen, die mit den Epigenotyp-verändernden Substanzen TSA und AzadC behandelt wurden, zeigten nach Transplantation in bestrahlte adulte Rezipienten hämatopoetisches Entwicklungspotential, das unbehandelte neurale Stammzellen nicht aufwiesen. Die Frequenz chimärer Tiere konnte durch Verwendung bcl-2 transgener neuraler Stammzellen erhöht werden und bereits in vitro wiesen wildtypische und bcl-2 transgene neurale Stammzellen unterschiedliche Sensitivität gegenüber der TSA/AzadC Behandlung auf. Diese von behandelten neuralen Stammzellen vermittelte Rekonstitution des hämatopoetischen Systems war langanhaltend und fand sowohl in der myeloiden als auch in der lymphoiden Linie statt. Eine erfolgreiche hämatopoetische Besiedlung war auch nach Transplantation klonaler neuraler Stammzellen zu beobachten, so daß eine Verunreinigung mit hämatopoetischen Zellen als Ursache der Rekonstitution ausgeschlossen werden konnte. Die beobachtete Generierung der morphologisch und phänotypisch intakten hämatopoetischen Zellen aus neuralen Zellen war nicht das Ergebnis einer Zellfusion von Rezipientenzellen mit injizierten Donorzellen. Denn die hämatopoetischen Donorzellen trugen einen normalen 2n Karyotyp und wiesen keine Heterokaryons auf, die für Fusionen charakteristisch wären. Somit ist es möglich, durch die Veränderung des Epigenotyps neuraler Stammzellen gefolgt von einer Transplantation in eine hämatopoetische Mikroumgebung eine Transdifferenzierung neuraler in hämatopoetische Zellen zu induzieren.This PhD thesis addressed the capacity of murine hematopoietic and neural stem cells to differentiate after modifying their gene expression pattern. Two different experimental approaches were chosen and applied to both systems of adult stem cells: By retroviral mediated gene transfer molecular regulators of hematopoiesis were overexpressed in hematopoietic stem cells and the behaviour of the genetically modified hematopoietic stem cells was analyzed in vitro and using mouse transplantatioin models their reconstitution capacity in vivo was tested. Neural stem cells were simultaneously treated with the two chromatin-modifying substances trichostatin A (TSA) and 5-aza-2´-deoxycytidine (AzadC), in vitro their TSA/AzadC sensitivity and in vivo their hematopoietic differentiation potential was studied. The transcriptionfactor HOXB4, the hematopoietic progenitor kinase 1 (HPK1) or a kinase-dead mutant of HPK1 (HPK1M46) were overexpressed in hematopoietic stem cells by retroviral transduction. Retrovirally transferred wildtype HPK1 or HPK1M46 in bone marrow cells showed no detectable influence on proliferation or numbers of primitive progenitors in vitro even when varying protein amounts were expressed. The repopulation capacity of hematopoietic stem cells transduced with wildtype HPK1 was comparable to control transduced stem cells. However, HPK1M46 transduced hematopoietic stem cells showed in vivo a reduced long-term repopulation activity and bone marrow cells displayed a limited colony forming potential in vitro. Wildtype HPK1 as well as HPK1M46 transduced hematopoietic stem cells possessed a normal multi-lineage repopulation potential. Although differentiation was observable in control transduced bone marrow cells transduction of bone marrow cells with HOXB4, an important regulator of self-renewal of hematopoietic stem cells, permitted in vitro expansion of bone marrow cells without expression of phenotypical differentiation markers. After HOXB4 transduction a homogenous Mac-1low expressing cell population accumulated in contrast to a Mac-1high, Gr-1 and c-kit positive population developing in control cultures. At mRNA level transcripts specific for differentiating cells like cyclin D1 during myeloid differentiation were upregulated only in control cells. Overexpression of HOXB4 enabled a constant cell proliferation rate but showed no influence on the ratio of symmetric to asymmetric cell divisions. Likewise the expression pattern of cyclins, cyclin-dependent kinases and members of the AP-1 transcription activator complex remained constant in HOXB4-transduced bone marrow cells over time. Thus by overexpressing HOXB4, a sustained and stable proliferation rate can be induced in cultured bone marrow cells in vitro and ongoing differentiation of the bone marrow culture can be blocked or at least delayed. After treatment with the epigenotype-modifying substances TSA and AzadC wildtype as well as bcl-2 transgenic neural stem cells revealed hematopoietic differentiation potential after transplantation into irradiated adult recipients which was not shown by untreated neural stem cells. The frequency of chimeric mice could be enhanced by using bcl-2 transgenic neural stem cells and already in vitro wildtype and bcl-2 transgenic neural stem cells revealed different TSA/AzadC sensitivity. This reconstitution of the hematopoietic system by treated neural stem cells was long lasting and occurred in the lymphoid as well as in the myeloid lineage. Successful hematopoietic reconstitution was also observable after transplanting clonal neural stem cells thereby excluding residual hematopoietic cells in the neural stem cell preparation to account for the reconstitution of the hematopoietic system. The generation of morphological and phenotypical intact hematopoietic cells from neural cells was not the consequence of cell fusion of recipient cells with injected donor cells because of the normal 2n genotype and the absence of heterokaryons which are known to be characteristic for fusion events. In view of that it is possible by modifying the epigenotype of neural stem cells followed by transplantation into a hematopoietic microenvironment to induce transdifferentiation of neural cells into hematopoietic cells