Das Neurale Differenzierungspotential Muriner Androgenetischer Embryonaler Stammzellen

Uniparental zygotes with two genomes from the same sex can be established from fertilised oocytes after pronuclear exchange. They contain two maternal (gynogenetic; GG) or paternal (androgenetic; AG) pronuclei and are not competent to develop into viable offspring but they can form blastocysts from which embryonic stem cells (ES cells) can be derived. The developmental potential of uniparental ES cells is not fully investigated. The restricted developmental potential of uniparental cells is cell-intrinsic and probably reflects the different roles maternal and paternal genomes play during development. Following blastocyst injection, both GG and AG ES cells show biased and parent-of-origin-specific chimaera formation. While the in vitro and in vivo neural differentiation potential of GG ES cells is well characterised the neural developmental potential of AG ES cells is less clear. In an earlier study the group of K. John McLaughlin reported that AG and GG ES cell-derived hematopoietic stem cells conveyed long-term, multi-lineage hematopoietic engraftment with no associated pathologies (Eckardt et al., 2007). The aim of this study was to investigate the potential of AG uniparental murine ES cells to differentiate in vitro and in vivo into neural progenitor / stem cells and further into neurons, astro- and oligodendroglia in comparison to GG and biparental (normal fertilised; N) ES cells. Uniparental and biparental ES cells were obtained from K. John McLaughlin’s group and a cell culture system was established to expand uniparental (AG, GG) and biparental N ES cells on murine embryonic fibroblasts (MEF). A multistep-protocol was used to differentiate ES cells towards pan-neural progenitor cells and neuronal and glial cell types (Brüstle et al., 1997). The ability of terminal neural differentiation in vitro was analysed by fluorescence microscopy using neuronal and glial lineage markers. In parallel, eGFP+ AG or N ES cells were injected into blastocysts prior to their transfer into foster mothers. At E12.5 and E14.5, embryos were isolated, forebrains were dissected and by means of fluorescence activated cell sorting (FACS) eGFP+ donor cells were isolated from chimeric brains. Both eGFP+ donor and corresponding eGFP- blastocyst-derived brain cells were expanded and analyses of differentiation potential and self-renewal capacity were performed. Also, cryosections of E12.5 chimeric brains were analysed for donor contribution to the neuronal lineage by immunofluorescence microscopy. Here it is described that following in vitro differentiation, AG pan-neural progenitor cells have similar abilities to differentiate into neuronal and glial lineages as GG and N pan-neural progenitor cells. In cryosections of E12.5 chimeric brains no differences in brain engraftment and formation of immature neuronal cells between uniparental AG and N donor cells were detected. AG and N ES cell-derived cells isolated from chimeric foetal brains by FACS exhibited similar neurosphere initiating cell frequencies and neural multi-lineage differentiation potential. Therefore, the data of this study suggest that the previously described differences in the in vivo engraftment pattern of uniparental inner cell mass (ICM) cells in foetal brains (Keverne et al., 1996) are not primarily due to limitations in the proliferation or differentiation properties of uniparental neural progenitor cells. The results presented here indicate that AG ES cell-derived neural progenitor / stem cells did not differ from N neural progenitor / stem cells in their self-renewal and their neural multi-lineage differentiation potential. Also AG ES cell-derived cells contributed to developing brains at early foetal developmental stages showing a widespread and balanced distribution in chimeric brains. AG brain cells form neurospheres with self-renewal and neural differentiation capacity similar to N ES cell-derived brain cells. Thus, the data of this study together indicate that the neural developmental potential in vivo and in vitro of AG and N ES cells does not differ.Uniparentale Zygoten mit zwei Allel-Sätzen des gleichen Geschlechtes entstehen aus befruchteten Eizellen nach dem Austauschen von einem der Pronuclei, so dass sie entweder zwei maternale Pronuclei (gynogenetisch; GG) oder zwei paternale Pronuclei (androgenetisch, AG) enthalten. Diese uniparentalen Zygoten sind nicht in der Lage, sich zu lebensfähigen Organismen zu entwickeln, aber sie erreichen das Entwicklungsstadium der Blastozyste, aus denen uniparentale embryonale Stammzellen (ES Zellen) gewonnen werden können. Das Entwicklungspotential uniparentaler ES Zellen ist bisher nicht vollständig verstanden. Das begrenzte Entwicklungspotential uniparentaler Zellen ist zell-intrinsisch und spiegelt die möglichen unterschiedlichen Rollen wieder, die maternales und paternales Genom während der Entwicklung eines Organismus spielen. Nach der Injektion in wildtypische Blastozysten zeigen sowohl AG- als auch GG-Zellen unausgewogene und spezifisch für den parentalen Ursprung der injizierten Zellen typische Entwicklungen in den chimären Embryonen. Während das neurale Entwicklungspotential von GG ES Zellen gut charakterisiert ist, ist dies für AG ES Zellen weit weniger untersucht. In einer früheren Studie zeigte die Arbeitsgruppe von K. John McLaughlin, dass AG- und GG-Zellen langzeitrepopulierende hämatopoetische Zellen mit der Fähigkeit zur Multiliniendifferenzierung sind, deren Transplantation zu keinen pathologischen Veränderungen im hämatopoetischen System führten (Eckardt et al., 2007). Das Ziel dieser Arbeit war es, das Potential muriner AG ES Zellen zur Differenzierung in neurale Stamm- und Vorläuferzellen und weiter in neurale, astro- und oligodendrogliale Zellen im Vergleich zu GG und biparentalen (normal befruchteten; N) ES Zellen in vivo und in vitro zu untersuchen. Für uniparentale und biparentale ES Zellen, die von der Arbeitsgruppe von K. John McLaughlin zur Verfügung gestellt wurden, wurde ein Zellkultursystem etabliert, um uniparentale (AG, GG) und N ES Zellen auf murinen embryonalen Fibroblasten (MEFs) zu kultivieren. Ein mehrstufiges Differenzierungsprotokoll wurde angewandt, um aus ES Zellen pan-neurale Vorläuferzellen und neuronale und gliale Zelltypen zu generieren (Brüstle et al., 1997). Die Fähigkeit zur terminalen neuronalen Differenzierung wurde mit Fluoreszenzmikroskopie unter der Verwendung von linienspezifischen neuronalen und glialen Markermolekülen analysiert. Parallel dazu wurden eGFP+ uniparentale AG oder biparentale N ES Zellen in Blastozysten injiziert, die in Ammentiere transferiert wurden. An den Tagen E12.5 und E14.5 wurden die Embryonen isoliert, die fötalen Vorderhirne wurden präpariert, und aus den daraus resultierenden Einzelzellsuspensionen wurden durch fluoreszenzaktivierte Zellsortierung aus AG ES Zellen entstandene GFP+ Zellen isoliert. Sowohl von AG ES Zellen abstammende eGFP+ Zellen als auch von den korrespondierenden, von den Blastozysten abstammende, eGFP- Zellpopulationen wurden als Kulturen expandiert. Analysen des neuronalen Differenzierungspotenzials und der Selbsterneuerungsfähigkeit wurden durchgeführt. Außerdem wurde in Kryosektionen von E12.5 chimären Gehirnen die Verteilung der von AG ES Zellen abstammenden eGFP+ Zellen durch Immunfluoreszenzmikroskopie untersucht. AG pan-neurale Vorläuferzellen zeigten in der in vitro Differenzierung ähnliche Fähigkeiten zur Differenzierung in neurale und gliale Zelllinien wie GG und N pan-neurale Vorläuferzellen. In Kryosektionen von E12.5 chimären Gehirnen wurden keine signifikanten Unterschiede in der Besiedlung von Gehirngeweben und der Bildung unreifer neuronaler Zellen zwischen AG und N Zellen festgestellt. Die von AG und N ES Zellen abstammenden Zellen, die durch fluoreszenzaktivierte Zellsortierung aus den chimären fötalen Gehirnen isoliert wurden, zeigten gleiche Frequenzen von Neurosphären initiierenden Zellen und ein gleiches neurales Multilinien-Differenzierungspotenzial. Zusammenfassend deuten die Daten in der hier vorliegenden Studie darauf hin, dass die Unterschiede im in vivo Besiedlungsmuster fötaler chimärer Gehirne durch uniparentale Zellen (Keverne et al., 1996) nicht auf Limitierungen in den Proliferations- oder Differenzierungseigenschaften von uniparentalen neuralen Vorläuferzellen zurückzuführen sind. Die Ergebnisse zeigen vielmehr, dass neurale Vorläufer- / Stammzellen, die von AG ES Zellen abstammen, sich nicht in ihrem Selbsterneuerungs- und Multilinien-Differenzierungspotenzial von N Vorläufer- / Stammzellen unterscheiden. Ebenso zeigen AG ES Zellen nach Blastocysten-Injektion in frühen fötalen Entwicklungsstufen eine ausgewogene Verteilung im gesamten chimären Gehirn. AG Gehirnzellen bilden Neurosphären mit dem gleichen Selbsterneuerungs- und neuralen Differenzierungspotenzial wie N Gehirnzellen. Zusammen genommen zeigen die Daten dieser Studie, dass sich die Fähigkeit von AG ES Zellen zur frühen neuralen Entwicklung in vitro und in vivo nicht von N ES Zellen unterscheiden