Inducción de la meiosis en células germinales obtenidas in vitro a partir de células madre pluripotentes humanas mediante expresión ectópica de las proteínas de unión al RNA DAZL y VASA

Among the different diseases that can lead to infertility, poor gamete quality plays an important role. The study of germ line development is necessary to understand poor gamete quality causes and design treatments to improve it. However, our current knowledge of this process in humans is little, mainly due to inaccessibility to early stages of development of human germ line development because of ethical impediments. In this sense, human Embryonic Stem Cells (hESCs) and induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs) can lead to the establishment of an invaluable tool for the creation of in vitro models study of the insights of human germ line development. The main objective of this project has been the development of an in vitro model for the differentiation of post-meiotic cells from human pluripotent stem cells. In order to accomplish our purpose, we studied how the ectopic expression of the RNA-binding proteins DAZL and VASA might drive the in vitro germ line formation and maturation of germ cells derived from human pluripotent stem cells in vitro. Main conclusions of this work are as follows: 1.- Human iPSCs have equal or even a higher potential than hESCs to spontaneously form germ cells in vitro. 2.- The expression profile of VASA-GFP sorted cells obtained by spontaneous in vitro differentiation from several human pluripotent stem cell lines correlates with an heterogeneous population of germ cells that show an advanced stage of maturation. 3.- Despite with low efficiency, ectopic expression of VASA and/or DAZL induces meiotic progression in germ cells obtained by spontaneous in vitro differentiation from human pluripotent stem cells. 4.- Combined overexpression of DAZL and VASA does not have a synergistic effect in gametic maturation of in vitro derived germ cells, probably due to the epistatic relationship between DAZL and VASA in mammalian germ line development. 5.- The ectopic expression of VASA in human pluripotent stem cells subjected to spontaneous differentiation drives the methylation erasure in the imprinted H19 locus.Entre las diversas afecciones que pueden causar infertilidad, la baja calidad gamética juega un importante papel. El estudio del desarrollo de la línea germinal es, por tanto, necesario para comprender las causas de la mala calidad gamética y así ayudar a mejorarla. Sin embargo, nuestro conocimiento actual acerca del desarrollo de la línea germinal in vivo en humanos es limitado, debido en gran parte a las limitaciones éticas y técnicas para obtener embriones humanos en estadíos tempranos del desarrollo. En este sentido, las células madre embrionarias humanas (hESCs, del inglés human Embryonic Stem Cells) y las células madre de pluripotencia inducida (iPSCs, del inglés induced Pluripotent Stem Cells), pueden suponer una herramienta esencial en el establecimiento de modelos in vitro para el estudio del desarrollo de la línea germinal en humanos. Durante las primeras fases de la elaboración de la presente tesis doctoral, se realizó un análisis comparativo de la expresión los marcadores germinales c-KIT, SSEA-1 y VASA en biopsias testiculares de pacientes con azoospermias secretoras y obstructivas de manera cuantitativa. A partir de los resultados de este análisis, se estableció un modelo de expresión en distintas etapas de los marcadores analizados durante la espermatogénesis humana con aplicaciones diagnósticas. Como conclusión, el análisis cuantitativo de la expresión de VASA y c-KIT mediante PCR cuantitativa y citometría de flujo puede ser empleado como herramienta diagnóstica diferenciadora entre patologías asociadas a la espermatogénesis, sobre todo para detectar posibles casos de mosaicismo en pacientes con síndrome de sólo células de Sertoli. Tras este estudio preliminar, se procedió a la ejecución del principal objetivo del proyecto de establecer un modelo de diferenciación in vitro de células germinales post-meióticas a partir de células pluripotentes humanas. Para ello, se estudió cómo la expresión ectópica de las proteínas de unión al RNA DAZL y VASA afecta a la formación y maduración de las células germinales obtenidas in vitro a partir de hESCS e iPSCs. A partir de los resultados obtenidos mediante esta metodología, las conclusiones de esta tesis doctoral son: 1.- Las iPSCs humanas poseen una capacidad equiparable o incluso mayor que las hESCs de diferenciarse espontáneamente a células germinales in vitro. 2.- El perfil de expresión de las células VASA positivas obtenidas mediante diferenciación espontánea in vitro de diferentes líneas de hESCs e iPSCs corresponde a una población heterogénea de células germinales en un avanzado estado de maduración. 3.- Aunque con una baja eficiencia, la expresión ectópica de VASA y/o DAZL induce la progresión meiótica en las células germinales obtenidas mediante diferenciación espontánea in vitro a partir de líneas de células pluripotentes humanas. 4.- La sobreexpresión combinada de DAZL y VASA no tiene un efecto sinérgico en la maduración gamética, posiblemente debido a la relación epistática existente entre DAZL y VASA en el desarrollo de la línea germinal de mamíferos. 5.- La expresión ectópica de VASA en células madre pluripotentes sometidas a diferenciación espontánea es capaz de inducir la de-metilación del locus improntado H19, lo cual es una característica específica del desarrollo de la línea germinal en mamíferos. Como conclusión general, se ha demostrado la implicación de las proteínas de unión al RNA DAZL y VASA como inductores de la meiosis in vitro mediante su expresión ectópica en diferentes líneas de hESCs e iPSCs humanas sometidas a diferenciación. Este trabajo puede suponer un modelo para el estudio del desarrollo de la línea germinal humana in vitro, así como punto de partida para el estudio de cómo estas y otras proteínas de unión al RNA son capaces de regular su desarrollo, progresión meiótica y maduración funcional