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.

Characterization of LRRTM and NGR gene families: Expression and functions

Some leucine-rich repeat (LRR) -containing membrane proteins are known regulators of neuronal growth and synapse formation. In this work I characterize two gene families encoding neuronal LRR membrane proteins, namely the LRRTM (leucine-rich repeat, transmembrane neuronal) and NGR (Nogo-66 receptor) families. I studied LRRTM and NGR family member's mRNA tissue distribution by RT-PCR and by in situ hybridization. Subcellular localization of LRRTM1 protein was studied in neurons and in non-neuronal cells. I discovered that LRRTM and NGR family mRNAs are predominantly expressed in the nervous system, and that each gene possesses a specific expression pattern. I also established that LRRTM and NGR family mRNAs are expressed by neurons, and not by glial cells. Within neurons, LRRTM1 protein is not transported to the plasma membrane; rather it localizes to endoplasmic reticulum. Nogo-A (RTN4), MAG, and OMgp are myelin-associated proteins that bind to NgR1 to limit axonal regeneration after central nervous system injury. To better understand the functions of NgR2 and NgR3, and to explore the possible redundancy in the signaling of myelin inhibitors of neurite growth, I mapped the interactions between NgR family and the known and candidate NgR1 ligands. I identified high-affinity interactions between RTN2-66, RTN3-66 and NgR1. I also demonstrate that Rtn3 mRNA is expressed in the same glial cell population of mouse spinal cord white matter as Nogo-A mRNA, and thus it could have a role in myelin inhibition of axonal growth. To understand how NgR1 interacts with multiple structurally divergent ligands, I aimed first to map in more detail the nature of Nogo-A:NgR1 interactions, and then to systematically map the binding sites of multiple myelin ligands in NgR1 by using a library of NgR1 expression constructs encoding proteins with one or multiple surface residues mutated to alanine. My analysis of the Nogo-A:NgR1 -interactions revealed a novel interaction site between the proteins, suggesting a trivalent Nogo-A:NgR1-interaction. Our analysis also defined a central binding region on the concave side of NgR1's LRR domain that is required for the binding of all known ligands, and a surrounding region critical for binding MAG and OMgp. To better understand the biological role of LRRTMs, I generated Lrrtm1 and Lrrtm3 knock out mice. I show here that reporter genes expressed from the targeted loci can be used for maping the neuronal connections of Lrrtm1 and Lrrtm3 expressing neurons in finer detail. With regard to LRRTM1's role in humans, we found a strong association between a 70 kb-spanning haplotype in the proposed promoter region of LRRTM1 gene and two possibly related phenotypes: left-handedness and schizophrenia. Interestingly, the responsible haplotype was linked to phenotypic variability only when paternally inherited. In summary, I identified two families of neuronal receptor-like proteins, and mapped their expression and certain protein-protein interactions. The identification of a central binding region in NgR1 shared by multiple ligands may facilitate the design and development of small molecule therapeutics blocking binding of all NgR1 ligands. Additionally, the genetic association data suggests that allelic variation upstream of LRRTM1 may play a role in the development of left-right brain asymmetry in humans. Lrrtm1 and Lrrtm3 knock out mice developed as a part of this study will likely be useful for schizophrenia and Alzheimer s disease research.

The function of NR3B and NR4A orphan nuclear receptors in osteoblasts

Nuclear receptors (NRs) comprise a large family of proteins that mediate the effects of small lipophilic molecules such as steroid hormones. In addition, there are a group of NRs which lack identified natural ligands and are referred as orphan NRs. In this thesis, the function of two such orphan NR families, the NR3B (ERRα, ERRβ and ERRγ) and the NR4A family (NGFI-B, Nurr1 and Nor1), was studied. NR3B and NR4A receptors regulate many biological processes such as energy metabolism and carcinogenesis. In addition, NR3B and NR4A receptors are expressed in bone. Therefore, the signaling and function of NR3B and NR4A orphan nuclear receptors was studied specifically in osteoblasts. NR4A receptors were found to be regulated by NR3B receptors and the Wnt/β-catenin signaling pathway as ERRα, ERRγ and β-catenin repressed the transcriptional activity of NR4A receptors in U2-OS cells. NGFI-B was found to repress the transcriptional activity of ERRγ in HeLa cells. The phytoestrogen equol was identified as a new agonist for ERRγ and ERRβ in PC-3, U2-OS, and SaOS-2 cells. Equol increased the transcriptional activity of ERRγ by increasing ERRγ co-activator binding and by inducing a conformational change in the ligand binding pocket of ERRγ. The growth inhibitory effect of equol on PC-3 prostate cancer cells was decreased by blocking ERRγ expression by siRNA. Therefore, ERRγ could mediate some of the beneficial health effects of equol. The Wnt/β-catenin signaling pathway is important for the differentiation and function of osteoblasts. NR3B and NR4A receptors were found to repress the transcriptional activity mediated by β-catenin in U2-OS cells. The mesenchymal stem cells (MSCs) isolated from ERRα knockout (KO) mice showed diminished proliferation and osteoblastic differentiation compared to the wild-type cells. The overexpression of ERRα in osteoblastic MC3T3-E1 cell line increased their mineralization. Bone sialoprotein (BSP) was shown to be a direct target gene for ERRα and ERRγ as the BSP promoter was activated by ERRα or ERRγ and PGC-1α in HeLa cells. The adipogenic differentiation of ERRα KO MSCs was also decreased and they expressed less adipogenic marker genes. In conclusion, the studies described in this thesis demonstrated that the transcriptional activity of NR3B and NR4A receptors can be regulated by other orphan NRs and signaling pathways in osteoblasts. NR3B receptors can also be regulated by ligands and a new agonist, equol, was identified for ERRβ and ERRγ. New roles for NR3B and NR4A were also identified as they were shown to converge with the Wnt signaling pathway in osteoblasts, ERRγ was shown to mediate the growth inhibitory effect of equol in prostate cancer cells, and ERRα was shown to regulate positively MSC proliferation, osteoblastic differentiation and adipogenesis.

Nikotiinireseptoreiden kautta vaikuttavat lääkeaineet nikotiiniriippuvuuden ja neurologisten sairauksien hoidossa

Neuronaaliset nikotiinireseptorit liittyvät tupakkariippuvuuden lisäksi moniin neurologisiin sairauksiin, kuten Alzheimerin tautiin, skitsofreniaan, masennukseen ja tarkkaavaisuus- ja ylivilkkaushäiriöön. Nikotiinireseptorien stimulaation on tutkimuksissa havaittu parantavan kognitiota. Useat lääkeyritykset tutkivat nikotiinireseptoriagonisteja ja -antagonisteja eri neurologisten sairauksien hoidossa. Ongelmana nikotiinireseptori-agonisteja käytettäessä on reseptorissa tapahtuva desensitisaatio. Tällöin reseptori sulkeutuu, eikä aktivoidu vaikka agonistia olisi tarjolla tai sitoutuneena reseptoriin. Varsinkin alfa7-reseptori desensitoituu hyvin nopeasti agonistialtistuksen seurauksena. Reseptorien desensitoituminen voi kliinisessä käytössä aiheuttaa lääkeaineen tehon menetyksen. Perinteisen agonistin sitoutumiskohdan lisäksi nikotiinireseptorissa sijaitsee myös muita sitoutumiskohtia, joita kutsutaan allosteerisiksi sitoutumispaikoiksi. Tutkimuksissa on havaittu, että eräät allosteerisesti sitoutuvat aineet, kuten PNU-120596, voivat vahvistaa agonistin aikaansaamaa vastetta ja/tai estää reseptorin desensitoitumista. Näitä aineita kutsutaan positiivisiksi allosteerisiksi modulaattoreiksi ja niiden ajatellaan olevan vaihtoehto desensitoitumisen aiheuttamaan tehon menetyksen ongelmaan. Nikotiinireseptorien positiivisten allosteeristen modulaattorien tarkkaa vaikutusta ja sitoutumiskohtaa reseptoriin ei vielä tarkkaan tiedetä. Tutkimuksen aiheena oli karakterisoida positiivisten allosteeristen modulaattoreiden vaikutuksia alfa7-nikotiinireseptoriin. Tutkimuksessa tarkoituksena oli käyttää hyväksi laboratoriossa aiemmin tehtyä havaintoa, jonka mukaan alfa7-nikotiinireseptorin transmembraaniosan aminohappoon tehdyn mutaation L247T seurauksena positiiviset allosteeriset modulaattorit muuttuvat agonisteiksi. Haluttiin selvittää, kuinka agonistin sitoutumiskohtaan kohdennettua mutageneesiä käyttäen tehty mutaatio W149M tai W149F vaikuttavat PNU-120596:n kykyyn toimia agonistina alfa7L247T reseptoriin. Asetyylikoliini toimi konventionaalisen agonistin mallina tutkimuksessa. Tutkimuksen toinen tavoite oli tehdä mutaatio M253Lalfa7-reseptorin transmembraaniosaan. Mutaation on todettu estävän allosteeristen potentiaattoreiden kykyä voimistaa agonistin aikaansaamaa vastetta. Tarkoitus oli tutkia millaisia vaikutuksia M253L-mutaatiolla on allosteerisen potentiaattorin kykyyn toimia agonistina L247T-mutaation sisältävään reseptoriin. Mutatoidun reseptorin mRNA mikroinjektoitiin oosyyttiin ja elektrofysiologian avulla tutkittiin ilmennettyjen reseptorien toimintaa käyttäen kahden elektrodin jännitelukitus -menetelmää. Kaikki suunnitellut mutaatiot saatiin tehtyä onnistuneesti alfa7- ja alfa7L247T-reseptoreihin. Ortosteerisen sitoutumiskohdan mutaatio villin tyypin Į7-reseptorissa vaikutti hyvin voimakkaasti joko asetyylikoliinin sitoutumiseen reseptoriin tai reseptorin toimintaan, sillä asetyylikoliinilla ei reseptorista saatu mitattua vasteita. Myöskään PNU-120596 yksinään ei saanut aikaan vasteita alfa7W149M-reseptorissa. Kaksoismutatoidussa alfa7W149M/L247T-reseptorissa puolestaan havaittiin, että asetyylikoliinin annos-vaste -kuvaaja siirtyi huomattavasti enemmän oikealle kuin PNU-120596:n, kun verrattiin annos-vaste –kuvaajia alfa7L247T ja alfa7W149M/L247T–reseptoreiden välillä. Transmembraaniosan mutaatio M253L ei vaikuttanut PNU-120596:n kykyyn toimia agonistina alfa7L247T-reseptoriin, eikä sillä ollut vaikutusta asetyylikoliinin annosvaste-kuvaajiin. Tutkimus tukee aiempia havaintoja siitä, että positiivisten allosteeristen modulaattoreiden sitoutumiskohta nikotiinireseptorissa sijaitsisi transmembraaniosassa. M253L-mutaation osalta tulokset ovat hieman ristiriidassa aiempien tulosten kanssa. L247T-mutaatio vaikuttaa hyvin voimakkaasti nikotiinireseptorin toimintaan sekä sijaitsee aminohapon M253 läheisyydessä. On mahdollista, että se peittää M253L-mutaation vaikutuksen. Toisaalta voi olla, että M253 on aminohappo, joka vaikuttaa vain reseptorivasteiden voimistumiseen eikä allosteeristen potentiaattoreiden sitoutumiseen.

Kohdennetut nanopartikkelit ja isotooppikuvantaminen syövän hoidossa

Syövän diagnostiikassa ja hoidossa nanopartikkelit voivat toimia kuljetinaineina lääke- ja diagnostisille aineille tai nukleiinihappojaksoille. Kantaja-aineeseen voidaan liittää kohdennusmolekyylejä partikkelien passiivista tai aktiivista kohdennusta varten tai radioleima kuvantamista tai radioterapiaa varten. Kantaja-aineiden avulla voidaan parantaa lääkeaineen fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia ja biologista hyötyosuutta, vähentää systeemisiä sivuvaikutuksia, pidentää lääkeaineen puoliintumisaikaa ja siten harventaa annosteluväliä, sekä parantaa lääkeaineen pääsyä kohdekudokseen. Näin voidaan parantaa kemo- ja radioterapian tehoa ja hoidon onnistumisen todennäköisyyttä. Kirjallisuuskatsauksessa perehdytään nanokantajien rooliin syövän hoidossa. Vuosikymmeniä jatkuneesta tutkimuksesta huolimatta vain kaksi (Eurooppa) tai kolme (Yhdysvallat) nanopartikkeliformulaatiota on hyväksytty markkinoille syövän hoidossa. Ongelmina ovat riittämätön hakeutuminen kohdekudokseen, immunogeenisyys ja nanopartikkelien labiilius. Kokeellisessa osassa tutkitaan in vitro ja hiirillä in vivo 99mTc-leimattujen, PEG-verhoiltujen biotiiniliposomien kaksivaiheista kohdennusta ihmisen munasarjan adenokarsinoomasoluihin. Kohdentamiseen käytetään biotinyloitua setuksimabi-(Erbitux®) vasta-ainetta, joka sitoutuu solujen yli-ilmentämiin EGF-reseptoreihin. Kaksivaiheista kohdennusta verrataan suoraan ja/tai passiiviseen kohdennukseen. Tehokkaampien kuvantamismenetelmien kehitys on vauhdittanut kohdennettujen nanopartikkelien tutkimusta. Isotooppikuvantamista käyttäen pystytään seuraamaan radioleiman jakautumista elimistössä ja kuvantamaan solutasolla tapahtuvia ilmiöitä. Kirjallisuuskatsauksessa perehdytään SPECT- ja PET-kuvantamiseen syövän hoidossa, sekä niiden hyödyntämiseen lääkekehityksessä nanopartikkelien kuvantamisessa. Kyseiset kuvantamismenetelmät erottuvat muista menetelmistä korkean erotuskyvyn, herkkyyden ja helppokäyttöisyyden suhteen. Kokeellisessa osassa 99mTc-leimattujen liposomien distribuutiota hiirissä tutkittiin SPECT-CT-laitteen avulla. Aktiivisuus kasvaimessa, pernassa ja maksassa kvantifioitiin InVivoScope-ohjelman ja gammalaskijan avulla. Tuloksia verrattiin keskenään. In vitro-kokeessa saavutettiin kaksivaiheisella kohdennuksella 2,7- 3,5-kertainen (solulinjasta riippuen) hakeutuminen soluihin kontrolliliposomeihin verrattuna. Kuitenkin suora kohdennus toimi kaksivaiheista kohdennusta paremmin in vitro. In vivo –kokeissa liposomit jakautuivat kasvaimeen tehokkaammin i.p.-annosteltuna kuin i.v.-annosteltuna. Kaksivaiheisella kohdennuksella saavutettiin 1,24-kertainen jakautuminen kasvaimeen (% ID/g kudosta) passiivisesti kohdennettuihin liposomeihin verrattuna. %ID/elin oli kohdennetuilla liposomeilla 5,9 % ja passiivisesti kohdennetuilla 5,4%. Todellinen ero oli siis pieni. InVivoScope:n ja gammalaskijan tulokset eivät korreloineet keskenään. Lisätutkimuksia ja menetelmän optimointia vaaditaan liposomien kohdennuksessa kasvaimeen.