Rôle des gènes HOX du paralogue 4 dans l'autorenouvellement des cellules souches et progéniteurs hématopoïétiques

La transplantation de cellules souches hématopoïétiques (CSH) est un traitement couramment utilisé pour traiter plusieurs types de maladies hématologiques telles que les leucémies. Par contre, une limite importante de ce type de traitement est la quantité restreinte de CSH disponibles pour la transplantation. Il importe donc de trouver des moyens pour expandre efficacement ces cellules ex vivo tout en préservant leurs propriétés. Le gène HOXB4 est présentement un candidat très prometteur pour atteindre cet objectif. Il a en effet été montré que HOXB4 est capable d’expandre les CSH in vivo et in vitro sans mener au développement de leucémie. Le gène HOXC4, qui appartient au même paralogue est aussi en mesure d’expandre les cellules hématopoïétiques primitives suggérant un rôle commun pour les gènes HOX du paralogue 4 dans l’autorenouvellement des CSH. Le gène HOXA4 est dix fois plus exprimé que le gène HOXB4 dans des CSH du foie fœtal au moment de leur principale expansion. De plus, les CSH mutantes pour Hoxa4, contrairement aux CSH mutantes pour Hoxb4, sont incapables de reconstituer un receveur irradié lorsqu’elles sont transplantées en condition de compétition. HOXA4 pourrait donc jouer un rôle plus important que les autres gènes du paralogue 4 pour l’expansion des CSH au niveau physiologique. Nous avons donc posé l’hypothèse que HOXA4 est capable d’expandre des CSH de façon plus importante que HOXB4. Les résultats obtenues dans le cadre de ce projet de recherche ont montré que la surexpression de HOXA4 était capable d’expandre les CSH et les progéniteurs hématopoïétiques primitifs dans le même ordre que ce qui est connu pour HOXB4. Des cultures et des essais de transplantation en situation de compétition ont confirmé la capacité égale des CSH surexprimant HOXA4 et HOXB4 de proliférer et de reconstituer les receveurs irradiés à long terme. Par contre, nous avons observé une meilleure reconstitution périphérique à court terme par les CSH HOXA4+ par rapport aux CSH HOXB4+, associée à une meilleure reconstitution lymphoïde. Nous avons aussi comparé les niveaux d’expression de gènes cibles potentiels dans des CSH surexprimant HOXA4 ou HOXB4 et observer que plusieurs gènes importants pour la fonction des CSH était régulé positivement suite à leur surexpression, notamment plusieurs gènes impliqués dans les voies de signalisation Notch et Wnt, tels que des récepteurs et ligands. Les gènes HOX du paralogue 4 pourraient donc réguler la communication entre les CSH et leur microenvironnement via ces voies de signalisation majeures et ainsi réguler leur autorenouvellement. La modulation de différents gènes codant pour des facteurs de transcription et des molécules impliquées dans la pluripotence suggère également que HOXA4 et HOXB4 utilisent des mécanismes intrinsèques et extrinsèques pour réguler leur potentiel d’autorenouvellement. Ces connaissances pourront ainsi être utilisées pour optimiser les protocoles d’expansion ex vivo des CSH dans un but thérapeutique.

Identification de déterminants impliqués dans la différenciation des cellules souches embryonnaires

Les cellules souches ont attiré l’attention du public ces dernières années, grâce non-seulement à leur utilisation comme thérapies visant à s’attaquer à certains types de cancers, mais aussi en relation avec leur potentiel dans le domaine de la médecine regénérative. Il est établi que le destin cellulaire des cellules souches embryonnaires (ESC) est régulé de façon intensive par un groupe de facteur clés agissant sur leur pluripotence. Il est néanmoins envisageable que certains déterminants influençant l’auto-renouvellement et la différenciation de ces cellules soient toujours inconnus. Afin de tester cette hypothèse, nous avons généré, en utilisant une méthode par infections virales, une collection de ESC contenant des délétions chromosomales chevauchantes que nous avons baptisée DelES (Deletion in ES cells). Cette librairie contient plus de 1000 clones indépendants dont les régions délétées couvrent environ 25% du génome murin. À l’aide de cette ressource, nous avons conduit un criblage de formation de corps embryoïdes (EB), démontrant que plusieurs clones délétés avaient un phénotype de différenciation anormal. Nos études de complémentation sur un groupe de clones ont par la suite permis l’identification de Rps14 - un gène codant pour une protéine ribosomale (RP) comme étant haploinsuffisant pour la formation de EB. Dans un deuxième temps, l’analyse approfondie des résultats de notre crible a permis d’identifier un groupe de gènes codants pour des RP qui semblent essentiels pour la différenciation des ESC, mais dispensables pour leur auto-renouvellement. De manière intéressante, les phénotypes anormaux de formation en EB les plus marqués sont associés à des délétions de RP qui se retrouvent au site de sortie des ARN messagers (ARNm) du ribosome, soit Rps5, Rps14 et Rps28. Étonnament, alors qu’un débalancement des RP conduit généralement à une réponse de type p53, l’haploinsuffisance de ces trois gènes ne peut être renversée par une simple réduction des niveaux d’expression de ce gène suppresseur de tumeurs. Finalement, nos études de profilage polysomal et de séquençage à haut-débit montrent une signature spécifique de gènes liés au mésoderme chez un clone hétérozygote pour Rps5, suggérant ainsi une explication au phénotype de différenciation p53-indépendant identifié chez ces ESC. Nos travaux rapportent donc la création d’une ressource intéressante de génomique fonctionnelle qui a permis de mettre à jour le rôle essentiel que jouent les RP dans le processus de formation de EB. Nos résultats permettent aussi de documenter une réponse p53-indépendante suite à un débalancement de RP dans un contexte opposant l’auto-renouvellement et la différenciation des ESC.

Molecular mechanisms underlying deficient neurogenesis in Alzheimer’s disease

La neurogenèse est présente, dans le cerveau adulte, dans la zone sous-ventriculaire (ZSV) encadrant les ventricules latéraux et dans le gyrus dentelé (GD) de l’hippocampe, permettant l’apprentissage, la mémoire et la fonction olfactive. Ces micro-environnements possèdent des signaux contrôlant l’auto-renouvellement des cellules souches neurales (CSN), leur prolifération, leur destin et leur différenciation. Or, lors du vieillissement, les capacités régénératives et homéostatiques et la neurogenèse déclinent. Les patients atteints de la maladie d’Alzheimer (MA), comme le modèle animal reproduisant cette maladie (3xTg-AD), montrent une accélération des phénotypes liés au vieillissement dont une diminution de la neurogenèse. Notre hypothèse est que la découverte des mécanismes affectant la neurogenèse, lors du vieillissement et de la MA, pourrait fournir de nouvelles cibles thérapeutiques pour prévenir le déclin cognitif. Les études sur l’âge d’apparition et les mécanismes altérant la neurogenèse dans la MA sont contrastées et nous ont guidé vers deux études. L’examen des changements dans les étapes de la neurogenèse lors du vieillissement et du développement de la neuropathologie. Nous avons étudié la ZSV, les bulbes olfactifs et le GD de souris femelles de 11 et 18 mois, et l’apparition des deux pathologies associées à la MA : les plaques amyloïdes et les enchevêtrements neurofibrillaires. Nous avons découvert que les souris 3xTg-AD possèdent moins de cellules en prolifération, de progéniteurs et de neuroblastes, induisant une diminution de l’intégration de nouvelles cellules dans le GD et les bulbes olfactifs. Notons que le taux de neurogenèse chez ces souris de 11 mois est similaire à celui des souris de phénotype sauvage de 18 mois, indiquant une accélération des changements liés au vieillissement dans la MA. Dans la ZSV, nous avons aussi démontré une accumulation de gouttelettes lipidiques, suggérant des changements dans l’organisation et le métabolisme de la niche. Enfin, nous avons démontré que le déficit de la neurogenèse apparait lors des premières étapes de la MA, avant l’apparition des plaques amyloïdes et des enchevêtrements neurofibrillaires. A l’examen des mécanismes inhibant la neurogenèse lors de la MA, nous voyons que chez des souris de 5 mois, le déficit de la neurogenèse dans la ZSV et le GD est corrélé avec l’accumulation de lipides, qui coïncide avec l’apparition du déclin cognitif. Nous avons aussi découvert que dans le cerveau humain de patients atteints de la MA et dans les 3xTg-AD, des gouttelettes lipidiques s’accumulaient dans les cellules épendymaires, représentant le principal soutien des CSN de la niche. Ces lipides sont des triglycérides enrichis en acide oléique qui proviennent de la niche et pas d’une défaillance du système périphérique. De plus, l’infusion locale d’acide oléique chez des souris de phénotype sauvage permet de reproduire l’accumulation de triglycérides dans les cellules épendymaires, comme dans la MA. Ces gouttelettes induisent un dérèglement de la voie de signalisation Akt-FoxO3 dans les CSN, menant à l’inhibition de leur activation in vitro et in vivo. Ces résultats permettent une meilleure compréhension de la régulation de la neurogenèse par le métabolisme lipidique. Nous avons démontré un nouveau mécanisme par lequel l’accumulation des lipides dans la ZSV induit une inhibition des capacités de prolifération et de régénération des CSN lors de la MA. Les travaux futurs permettront de comprendre comment et pourquoi le métabolisme lipidique du cerveau est altéré dans la MA, ce qui pourrait offrir de nouvelles voies thérapeutiques pour la prévention et la régénération.

Étude de la régulation de l'activité du ligand Delta dans le cadre de la signalisation Notch

La voie de signalisation Notch est conservée au cours de l'évolution. Elle joue un rôle clé dans le développement, et elle est impliquée dans de nombreuses décisions de destin cellulaire, dans le maintien des cellules souches, et dans le contrôle de la prolifération et de la différenciation cellulaires. Une dérégulation de la signalisation Notch est impliquée dans diverses maladies et cancers, y compris les tumeurs solides, comme les cancers du sein et du col de l'utérus, et les leucémies, comme la Leucémie Aiguë Lymphoblastique des cellules T (LAL-T). Notch est un récepteur transmembranaire activé par des ligands transmembranaires de la famille DSL (Delta/Serrate/Lag-2). Bien que plusieurs mutations oncogéniques ont été identifiées au niveau du récepteur Notch, de nombreux cancers modulés par Notch demeurent ligand-dépendants. Étonnamment, les mécanismes moléculaires régulant l'activation du ligand sont encore relativement peu caractérisés par rapport à ceux qui régissent le récepteur Notch lui-même. Utilisant un essai de co-culture avec un rapporteur luciférase de Notch, nous avons effectué le premier crible d'ARNi pan-génomique visant spécifiquement à identifier des régulateurs des ligands de Notch dans la cellule émettrice du signal. Nous avons ainsi pu découvrir de nouvelles classes de régulateurs communs pour les ligands Delta-like1 et 4. Ces régulateurs comprennent des inhibiteurs de protéases, des facteurs de transcription, et des gènes divers à fonction inconnue, tels que Tmem128 « Transmembrane protein 128 », ou à fonction préalablement caractérisée tels que la co-chaperonne moléculaire Cdc37 « Cell division cycle 37 homolog ». Par la suite, nous avons développé des cribles secondaires fonctionnels où nous avons démontré l'importance de ces régulateurs pour des événements Notch-dépendants, comme la différenciation des cellules T normales, et la survie des cellules souches pré-leucémiques isolées à partir d'un modèle murin de LAL-T. En outre, nous avons prouvé que les régulateurs les plus forts du crible de survie sont également nécessaires pour l'activité d'auto-renouvellement des cellules souches pré-leucémiques. Finalement, nous avons entamé une caractérisation moléculaire préliminaire de deux régulateurs nouvellement identifiés; Tmem128 et Cdc37 afin d'étudier leur mécanisme d'action sur les ligands. En conclusion, cette étude nous a permis d'identifier de nouveaux régulateurs de la voie Notch qui pourraient servir de cibles thérapeutiques potentielles dans les cancers; tel qu'illustré par le modèle LAL-T. La compréhension des détails moléculaires sous-jacents aux fonctions de ces régulateurs sera essentielle afin de développer des inhibiteurs pharmacologiques pour bloquer leur action et entraver la signalisation Notch dans le cancer.

Régulation de la division asymétrique chez C. elegans

La division asymétrique est essentielle pour générer la diversité au cours du développement et permet aussi de réguler la balance entre renouvellement et différenciation des cellules souches chez l’adulte. Dans ces deux cas de figure, elle dépend respectivement d’une polarité intrinsèque ou d’une polarité extrinsèque. C. elegans est un excellent modèle pour étudier les mécanismes cellulaires et moléculaires de la division asymétrique in vivo. Chez l’embryon, le maintien d’un axe de polarité antéro-postérieur dépend des protéines PAR conservées et localisées de façon asymétrique en deux groupes mutuellement exclusifs; le groupe antérieur avec PAR-3, PAR-6, PKC-3 et le groupe postérieur avec PAR-2 et PAR-1. L’absence d’une protéine PAR entraine une perte de polarité et une létalité embryonnaire. Lors d’un crible par ARN interférence mené par Jean-Claude Labbé pour identifier les suppresseurs de la létalité associée à la perte de PAR-2, deux cyclines de type B, CYB-2.1 et CYB-2.2 ont été trouvées. J’ai déterminé que CYB-2.1 et CYB-2.2 interviennent dans la polarité sans perturber le cycle cellulaire et agissent vraisemblablement avec leur kinase associée, CDK-1, pour stabiliser les niveaux protéiques de PAR-6. Ces travaux permettent de mieux définir les liens étroits entre polarité et cycle cellulaire. La lignée germinale de C. elegans est un excellent modèle pour étudier les divisions des cellules souches germinales in vivo. Par contre, l’absence d’orientation préférentielle de ces divisions laisse envisager que la complexité morphologique de la niche pourrait engendrer une diversité d’axe possible. J’ai étudié la régulation morphologique de cette niche, une unique cellule somatique appelée distal tip cell (DTC), qui arborise de longues extensions au stade adulte. Mes résultats préliminaires favorisent un modèle dans lequel les cellules souches et progéniteurs germinaux (CSPG) supportent la formation de ces extensions. Enfin, j’ai obtenu des conditions favorables à l’étude de la division asymétrique extrinsèque dans ce modèle, en simplifiant l’architecture de la niche dans des conditions qui préservent les divisions cellulaires des cellules souches. Mes travaux ont permis de mieux comprendre les liens unissant les différents processus biologiques impliqués dans la division asymétrique, d’une part par l’étude du rôle qu’y jouent des régulateurs clés du cycle cellulaire au cours du développement et d’autre part par la caractérisation d’une communication bidirectionnelle entre la niche et les cellules souches chez l’adulte.

Les oncogènes NUP98-PHF23 et NUP98-HOXD13 confèrent un potentiel aberrant d’auto-renouvellement aux progéniteurs thymiques.

L’initiation de la leucémogénèse dans la leucémie aigue lymphoblastique (LAL)-T résulte de l’activation aberrante de facteurs de transcription de la lignée lymphocytaire T. Nous démontrons que les gènes de fusion NUP98-PHF23 (NP23) et NUP98-HOXD13 (NHD13) reprogramment les thymocytes normaux en cellules souches pré-leucémiques (CS-préL) possédant un potentiel aberrant d’auto-renouvellement. Basé sur des essais de clonalité performés sur des thymocytes transplantés en série, nous avons découvert que cette population est hiérarchisée similairement aux cellules souches hématopoïétiques normales. Ces CS-préL dévoilent un enrichissement du compartiment de précurseurs thymiques immatures KIT+ où les deux oncogènes, NP23 et NHD13, activent des gènes impliqués dans l’autorenouvellement, incluant Hoxa9, Hoxa10, Lyl1 et Hhex. De plus, l’activité d’autorenouvellement est abrogée par les ARN interférents contre Lyl1 et Hhex, indiquant leur implication fonctionnelle en aval de NP23 et NHD13. Puisque ces gènes sont aussi activés en aval de trois autres oncogènes dans la LAL-T, SCL/TAL1, LMO1 et LMO2, nous concluons que les niveaux d’activation de Lyl1 et Hhex fixent le seuil de reprogrammation des thymocytes normaux en CS-préL. Malgré l'efficacité des traitements de chimiothérapie actuels à diminuer la masse tumorale, les CS-préL sont épargnées, pouvant mener à des rechutes. Nos résultats répondent à ce besoin et proposent de nouvelles avenues permettant de cibler les CS-préL du compartiment de thymocytes immatures dans la LAL-T.

CD27 mediates interleukin-2-independent clonal expansion of the CD8+ T cell without effector differentiation

The clonal expansion of antigen-specific CD8+ T cells in response to microbial infections is essential for adaptive immunity. Although IL-2 has been considered to be primarily responsible for this process, quantitatively normal expansion occurs in the absence of IL-2 receptor signaling. Here, we show that ligating CD27 on CD8+ T cells that have been stimulated through the T cell receptor causes their expansion in the absence of IL-2 by mediating two distinct cellular processes: enhancing cell cycling and promoting cell survival by maintaining the expression of IL-7 receptor alpha. This pathway for clonal expansion of the CD8+ T cell is not associated with the development of a capacity either for production of IFN-gamma or for cytotoxic T lymphocyte function and, therefore, is uncoupled from differentiation. Furthermore, ligating CD27 increases the threshold concentration at which IL-2 induces IFN-gamma-producing capability by the CD8+ T cell, suggesting that CD27 signaling may suppress effector differentiation. Finally, CD8+ T cells that have been stimulated by the TCR/CD27 pathway maintain their capacity for subsequent expansion and effector differentiation in response to a viral challenge in vivo. Thus, the TCR/CD27 pathway enables the CD8+ T cell to replicate by a process of self-renewal, which may contribute to the continuous generation of new effector CD8+ T cells in persistent viral infections.

The origin, molecular regulation and therapeutic potential of myogenic stem cell populations

Satellite cells, originating in the embryonic dermamyotome, reside beneath the myofibre of mature adult skeletal muscle and constitute the tissue-specific stem cell population. Recent advances following the identification of markers for these cells (including Pax7, Myf5, c-Met and CD34) (CD, cluster of differentiation; c-Met, mesenchymal epithelial transition factor) have led to a greater understanding of the role played by satellite cells in the regeneration of new skeletal muscle during growth and following injury. In response to muscle damage, satellite cells harbour the ability both to form myogenic precursors and to self-renew to repopulate the stem cell niche following myofibre damage. More recently, other stem cell populations including bone marrow stem cells, skeletal muscle side population cells and mesoangioblasts have also been shown to have myogenic potential in culture, and to be able to form skeletal muscle myofibres in vivo and engraft into the satellite cell niche. These cell types, along with satellite cells, have shown potential when used as a therapy for skeletal muscle wasting disorders where the intrinsic stem cell population is genetically unable to repair non-functioning muscle tissue. Accurate understanding of the mechanisms controlling satellite cell lineage progression and self-renewal as well as the recruitment of other stem cell types towards the myogenic lineage is crucial if we are to exploit the power of these cells in combating myopathic conditions. Here we highlight the origin, molecular regulation and therapeutic potential of all the major cell types capable of undergoing myogenic differentiation and discuss their potential therapeutic application.

Nuclear Factor-kappaB controls the reaggregation of 3D neurosphere cultures in vitro

The approach of reaggregation involves the regeneration and self-renewal of histotypical 3D spheres from isolated tissue kept in suspension culture. Reaggregated spheres can be used as tumour, genetic, biohybrid and neurosphere models. In addition the functional superiority of 3D aggregates over conventional 2D cultures developed the use of neurospheres for brain engineering of CNS diseases. Thus 3D aggregate cultures created enormous interest in mechanisms that regulate the formation of multicellular aggregates in vitro. Here we analyzed mechanisms guiding the development of 3D neurosphere cultures. Adult neural stem cells can be cultured as self-adherent clusters, called neurospheres. Neurospheres are characterised as heterogeneous clusters containing unequal stem cell sub-types. Tumour necrosis factor-alpha (TNF-alpha is one of the crucial inflammatory cytokines with multiple actions on several cell types. TNF-alpha strongly activates the canonical Nuclear Factor Kappa-B (NF- kappaB) pathway. In order to investigate further functions of TNF in neural stem cells (NSCs) we tested the hypothesis that TNF is able to modulate the motility and/or migratory behaviour of SVZ derived adult neural stem cells. We observed a significantly faster sphere formation in TNF treated cultures than in untreated controls. The very fast aggregation of isolated NSCs (<2h) is a commonly observed phenomenon, though the mechanisms of 3D neurosphere formation remain largely unclear. Here we demonstrate for the first time, increased aggregation and enhanced motility of isolated NSCs in response to the TNF-stimulus. Moreover, this phenomenon is largely dependent on activated transcription factor NF-kappaB. Both, the pharmacological blockade of NF-kappaB pathway by pyrrolidine dithiocarbamate (PDTC) or Bay11-7082 and genetic blockade by expression of a transdominant-negative super-repressor IkappaB-AA1 led to decreased aggregation.

Neural stem cells, inflammation and NF-kappaB: basic principle of maintenance and repair or origin of brain tumours?

Several recent reports suggest that inflammatory signals play a decisive role in the self-renewal, migration and differentiation of multipotent neural stem cells (NSCs). NSCs are believed to be able to ameliorate the symptoms of several brain pathologies through proliferation, migration into the area of the lesion and either differentiation into the appropriate cell type or secretion of anti-inflammatory cytokines. Although NSCs have beneficial roles, current evidence indicates that brain tumours, such as astrogliomas or ependymomas are also caused by tumour-initiating cells with stem-like properties. However, little is known about the cellular and molecular processes potentially generating tumours from NSCs. Most pro-inflammatory conditions are considered to activate the transcription factor NF-kappaB in various cell types. Strong inductive effects of NF-kappaB on proliferation and migration of NSCs have been described. Moreover, NF-kappaB is constitutively active in most tumour cells described so far. Chronic inflammation is also known to initiate cancer. Thus, NF-kappaB might provide a novel mechanistic link between chronic inflammation, stem cells and cancer. This review discusses the apparently ambivalent role of NF-kappaB: physiological maintenance and repair of the brain via NSCs, and a potential role in tumour initiation. Furthermore, it reveals a possible mechanism of brain tumour formation based on inflammation and NF-kappaB activity in NSCs.

Efficient animal-serum free 3D cultivation method for adult human neural crest-derived stem cell therapeutics

Due to their broad differentiation potential and their persistence into adulthood, human neural crest-derived stem cells (NCSCs) harbour great potential for autologous cellular therapies, which include the treatment of neurodegenerative diseases and replacement of complex tissues containing various cell types, as in the case of musculoskeletal injuries. The use of serum-free approaches often results in insufficient proliferation of stem cells and foetal calf serum implicates the use of xenogenic medium components. Thus, there is much need for alternative cultivation strategies. In this study we describe for the first time a novel, human blood plasma based semi-solid medium for cultivation of human NCSCs. We cultivated human neural crest-derived inferior turbinate stem cells (ITSCs) within a blood plasma matrix, where they revealed higher proliferation rates compared to a standard serum-free approach. Three-dimensionality of the matrix was investigated using helium ion microscopy. ITSCs grew within the matrix as revealed by laser scanning microscopy. Genetic stability and maintenance of stemness characteristics were assured in 3D cultivated ITSCs, as demonstrated by unchanged expression profile and the capability for self-renewal. ITSCs pre-cultivated in the 3D matrix differentiated efficiently into ectodermal and mesodermal cell types, particularly including osteogenic cell types. Furthermore, ITSCs cultivated as described here could be easily infected with lentiviruses directly in substrate for potential tracing or gene therapeutic approaches. Taken together, the use of human blood plasma as an additive for a completely defined medium points towards a personalisable and autologous cultivation of human neural crest-derived stem cells under clinical grade conditions.

Prolonged cultivation of hippocampal neural precursor cells shifts their differentiation potential and selects for aneuploid cells

Neural precursor cells (NPCs) are lineage-restricted neural stem cells with limited self-renewal, giving rise to a broad range of neural cell types such as neurons, astrocytes, and oligodendrocytes. Despite this developmental potential, the differentiation capacity of NPCs has been controversially discussed concerning the trespassing lineage boundaries, for instance resulting in hematopoietic competence. Assessing their in vitro plasticity, we isolated nestin+/Sox2+, NPCs from the adult murine hippocampus. In vitro-expanded adult NPCs were able to form neurospheres, self-renew, and differentiate into neuronal, astrocytic, and oligodendrocytic cells. Although NPCs cultivated in early passage efficiently gave rise to neuronal cells in a directed differentiation assay, extensively cultivated NPCs revealed reduced potential for ectodermal differentiation. We further observed successful differentiation of long-term cultured NPCs into osteogenic and adipogenic cell types, suggesting that NPCs underwent a fate switch during culture. NPCs cultivated for more than 12 passages were aneuploid (abnormal chromosome numbers such as 70 chromosomes). Furthermore, they showed growth factor-independent proliferation, a hallmark of tumorigenic transformation. In conclusion, our findings substantiate the lineage restriction of NPCs from adult mammalian hippocampus. Prolonged cultivation results, however, in enhanced differentiation potential, which may be attributed to transformation events leading to aneuploid cells.

Phosphoproteomics Profiling Suggests a Role for Nuclear beta IPKC in Transcription Processes of Undifferentiated Murine Embryonic Stem Cells

Protein kinase C (PKC) plays a key role in embryonic stem cell (ESC) proliferation, self-renewal and differentiation However, the function of specific PKC Isoenzymes have yet to be determined Of the PKCs expressed in undifferentiated ESCs, beta IPKC was the only isoenzyme abundantly expressed in the nuclei To investigate the role of beta IPKC in these cells, we employed a phosphoproteomics strategy and used two classical (cPKC) peptide modulators and one beta IPKC-specific inhibitor peptide We identified 13 nuclear proteins that are direct or indirect beta IPKC substrates in undifferentiated ESCs These proteins are known to be involved in regulating transcription, splicing, and chromatin remodeling during proliferation and differentiation Inhibiting beta IPKC had no effect on DNA synthesis in undifferentiated ESCs However, upon differentiation many cells seized to express beta IPKC and beta IPKC was frequently found in the cytoplasm Taken together, our results suggest that beta IPKC takes part in the processes that maintain ESCs in their undifferentiated state

Detailed molecular characterization of cord blood-derived endothelial progenitors

Objective. Given their involvement in pathological and physiological angiogenesis, there has been growing interest in understanding and manipulating endothellial progenitor cells (EPC) for therapeutic purposes. However, detailed molecular analysis of EPC before and during endothelial differentiation is lacking and is the subject of the present study. Materials and Methods. We report a detailed microarray gene-expression profile of freshly isolated (day 0) human cord blood (CB)-derived EPC (CD133(+)KDR(+) or CD34(+)KDR(+)), and at different time points during in vitro differentiation (early: day 13; late: day 27). Results. Data obtained reflect an EPC transcriptome enriched in genes related to stem/progenitor cells properties (chromatin remodeling, self-renewal, signaling, cytoskeleton organization and biogenesis, recruitment, and adhesion). Using a complementary DNA microarray enriched in intronic transcribed sequences, we observed, as well, that naturally transcribed intronic noncoding RNAs were specifically expressed at the EPC stage. Conclusion. Taken together, we have defined the global gene-expression profile of CB-derived EPC during the process of endothelial differentiation, which can be used to identify genes involved in different vascular pathologies. (C) 2008 ISEH - Society for Hematology and Stem Cells. Published by Elsevier Inc.

Functionalization of dendrimers for improved gene delivery to mesenchymal stem cell

Disease, injury, and age problems compromise human quality of life and continuously motivate the search for new and more efficacious therapeutic approaches. The field of Tissue Regeneration and Engineering has greatly evolved over the last years, mainly due to the combination of the important advances verified in Biomaterials Science and Engineering with those of Cell and Molecular Biology. In particular, a new and promising area arose – Nanomedicine – that takes advantage of the extremely small size and especial chemical and physical properties of Nanomaterials, offering powerful tools for health improvement. Research on Stem Cells, the self-renewing progenitors of body tissues, is also challenging to the medical and scientific communities, being expectable the appearance of new and exciting stem cell-based therapies in the next years. The control of cell behavior (namely, of cell proliferation and differentiation) is of key importance in devising strategies for Tissue Regeneration and Engineering. Cytokines, growth factors, transcription factors and other signaling molecules, most of them proteins, have been identified and found to regulate and support tissue development and regeneration. However, the application of these molecules in long-term regenerative processes requires their continuous presence at high concentrations as they usually present short half-lives at physiological conditions and may be rapidly cleared from the body. Alternatively, genes encoding such proteins can be introduced inside cells and be expressed using cell’s machinery, allowing an extended and more sustained production of the protein of interest (gene therapy). Genetic engineering of stem cells is particularly attractive because of their self-renewal capability and differentiation potential. For Tissue Regeneration and Engineering purposes, the patient’s own stem cells can be genetically engineered in vitro and, after, introduced in the body (with or without a scaffold) where they will not only modulate the behavior of native cells (stem cell-mediated gene therapy), but also directly participate in tissue repair. Cells can be genetically engineered using viral and non-viral systems. Viruses, as a result of millions of years of evolution, are very effective for the delivery of genes in several types of cells, including cells from primary sources. However, the risks associated with their use (like infection and immunogenic reactions) are driving the search for non-viral systems that will efficiently deliver genetic material into cells. Among them, chemical methods that are promising and being investigated use cationic molecules as carriers for DNA. In this case, gene delivery and gene expression level remain relatively low when primary cells are used. The main goal of this thesis was to develop and assess the in vitro potential of polyamidoamine (PAMAM) dendrimers based carriers to deliver genes to mesenchymal stem cells (MSCs). PAMAM dendrimers are monodispersive, hyperbranched and nanospherical molecules presenting unique characteristics that make them very attractive vehicles for both drug and gene delivery. Although they have been explored for gene delivery in a wide range of cell lines, the interaction and the usefulness of these molecules in the delivery of genes to MSCs remains a field to be explored. Adult MSCs were chosen for the studies due to their potential biomedical applications (they are considered multipotent cells) and because they present several advantages over embryonic stem cells, such as easy accessibility and the inexistence of ethical restrictions to their use. This thesis is divided in 5 interconnected chapters. Chapter I provides an overview of the current literature concerning the various non-viral systems investigated for gene delivery in MSCs. Attention is devoted to physical methods, as well as to chemical methods that make use of polymers (natural and synthetic), liposomes, and inorganic nanoparticles as gene delivery vectors. Also, it summarizes the current applications of genetically engineered mesenchymal stem cells using non-viral systems in regenerative medicine, with special focus on bone tissue regeneration. In Chapter II, the potential of native PAMAM dendrimers with amine termini to transfect MSCs is evaluated. The level of transfection achieved with the dendrimers is, in a first step, studied using a plasmid DNA (pDNA) encoding for the β-galactosidase reporter gene. The effect of dendrimer’s generation, cell passage number, and N:P ratio (where N= number of primary amines in the dendrimer; P= number of phosphate groups in the pDNA backbone) on the level of transfection is evaluated, being the values always very low. In a second step, a pDNA encoding for bone morphogenetic protein-2, a protein that is known for its role in MSCs proliferation and differentiation, is used. The BMP-2 content produced by transfected cells is evaluated by an ELISA assay and its effect on the osteogenic markers is analyzed through several classical assays including alkaline phosphatase activity (an early marker of osteogenesis), osteocalcin production, calcium deposition and mineralized nodules formation (late osteogenesis markers). Results show that a low transfection level is enough to induce in vitro osteogenic differentiation in MSCs. Next, from Chapter III to Chapter V, studies are shown where several strategies are adopted to change the interaction of PAMAM dendrimers with MSCs cell membrane and, as a consequence, to enhance the levels of gene delivery. In Chapter III, generations 5 and 6 of PAMAM dendrimers are surface functionalized with arginine-glycine-aspartic acid (RGD) containing peptides – experiments with dendrimers conjugated to 4, 8 and 16 RGD units were performed. The underlying concept is that by including the RGD integrin-binding motif in the design of the vectors and by forming RGD clusters, the level of transfection will increase as MSCs highly express integrins at their surface. Results show that cellular uptake of functionalized dendrimers and gene expression is enhanced in comparison with the native dendrimers. Furthermore, gene expression is dependent on both the electrostatic interaction established between the dendrimer moiety and the cell surface and the nanocluster RGD density. In Chapter IV, a new family of gene delivery vectors is synthesized consisting of a PAMAM dendrimer (generation 5) core randomly linked at the periphery to alkyl hydrophobic chains that vary in length and number. Herein, the idea is to take advantage of both the cationic nature of the dendrimer and the capacity of lipids to interact with biological membranes. These new vectors show a remarkable capacity for internalizing pDNA, being this effect positively correlated with the –CH2– content present in the hydrophobic corona. Gene expression is also greatly enhanced using the new vectors but, in this case, the higher efficiency is shown by the vectors containing the smallest hydrophobic chains. Finally, chapter V reports the synthesis, characterization and evaluation of novel gene delivery vectors based on PAMAM dendrimers (generation 5) conjugated to peptides with high affinity for MSCs membrane binding - for comparison, experiments are also done with a peptide with low affinity binding properties. These systems present low cytotoxicity and transfection efficiencies superior to those of native dendrimers and partially degraded dendrimers (Superfect®, a commercial product). Furthermore, with this biomimetic approach, the process of gene delivery is shown to be cell surface receptor-mediated. Overall, results show the potential of PAMAM dendrimers to be used, as such or modified, in Tissue Regeneration and Engineering. To our knowledge, this is the first time that PAMAM dendrimers are studied as gene delivery vehicles in this context and using, as target, a cell type with clinical relevancy. It is shown that the cationic nature of PAMAM dendrimers with amine termini can be synergistically combined with surface engineering approaches, which will ultimately result in suitable interactions with the cytoplasmic membrane and enhanced pDNA cellular entry and gene expression. Nevertheless, the quantity of pDNA detected inside cell nucleus is always very small when compared with the bigger amount reaching cytoplasm (accumulation of pDNA is evident in the perinuclear region), suggesting that the main barrier to transfection is the nuclear membrane. Future work can then be envisaged based on the versatility of these systems as biomedical molecular materials, such as the conjugation of PAMAM dendrimers to molecules able to bind nuclear membrane receptors and to promote nuclear translocation.