Der Transkriptionsfaktor CCAAT/Enhancer-Binding Protein alpha (C/EBPa) koordiniert Proliferationshemmung und Differenzierung von myeloiden VorlŠuferzellen und Adipozyten. C/EBPa ist ein transkriptioneller Aktivator von abstammungspezifischen Genen und blockiert den Zellzyklus durch Repression von proliferationsfšrdernden E2F Zielgenen. Die hier gezeigten Daten zeigen, dass auch umgekehrt E2F die transkriptionelle und differenzierungsfšrdernde AktivitŠt von C/EBPa entgegenwirkt. Somit besitzen E2F-C/EBPa eine zentrale Schalterfunktion zwischen Proliferation und Differenzierung. Der Repressionsmechanismus durch E2F ist in mehreren Aspekten neuartig: Zum erstenmal wurde gezeigt, dass E2F einen anderen Transkriptionsfaktor reprimieren kann. E2F reprimiert die transkriptionelle AktivitŠt von C/EBPa ohne Bindung an cis-regulatorischen Elemente, sondern durch direkte Protein-Protein Interaktionen, die die Bindung von C/EBPa an DNA verhindern. Diese Form der transkriptionellen Repression geschieht unabhŠngig von "Pocket-Proteinen''". Patienten mit Akuter Myeloiden LeukŠmie (AML) weisen hŠufig eine gestšrte DNA Bindung von C/EBPa auf, welche ursachlich fŸr granulozitŠren Funktionsstšrungen sein kšnnte. Daher wŠre es wichtig zu analysieren ob E2F die DNA Bindung von C/EBPa in AML Patienten beeintrŠchtigt und ob auf E2F gerichtete Therapien granulozitŠre Reifung wiederherstellen. C/EBPa blockiert Zellproliferation durch vielseitigen Mechanismen. Hier wurde gezeigt, dass C/EBPa mit UBF1, dem Co-Aktivator der RNA Polymerase I, an chromosomalen Foci positioniert wird. Eine €hnlichkeit zu anderen fokalen Strukturen suggeriert, dass C/EBPa die Transkription von Polymerase I regulierten rRNA Gene reprimieren und somit ribosomale Biogenese beeintrŠchtigen kšnnte. Die Assoziation zwischen C/EBPa und UBF1 wird durch die Histon-Methyltransferase SUV39H1 stimuliert. Demnach kšnnte die antiproliferative Funktion von C/EBPa nicht nur auf der Regulierung von RNA Pol II-abhŠngiger Transkription, sondern auch auf der Repression von RNA Pol I regulierter rRNA Synthese basieren. / The transcription factor CCAAT/Enhancer-Binding Protein alpha (C/EBPa) coordinates proliferation arrest and differentiation of myeloid progenitors and adipocytes. C/EBPa acts as a transcriptional activator of lineage specific genes and blocks the cell cycle by repressing transcription of E2F-regulated genes. Data presented here suggest that also inversely E2F interferes with the transcriptional activity of C/EBPa, counteracting C/EBPa-mediated differentiation processes. Thus, E2F-C/EBPa are part of a switch mechanism between proliferation and differentiation. The mechanism by which E2F suppresses C/EBPa-mediated transactivation is novel in several aspects. E2F acts as a co-repressor of another transcription factor, C/EBPa, without binding to cis-regulatory elements, but by direct protein-protein interactions that abolish the binding of C/EBPa to DNA. This mechanism of transcriptional repression occurs independent of pocket proteins. Disturbed DNA binding of C/EBPa is often observed in AML patients suggesting a causative role in granulocytic disorders. Thus, it would be of main interest to analyze whether E2F mediates disruption of C/EBPa''s DNA-binding in AML patients and whether therapies directed against E2F could restore granulocytic maturation. Despite the extensive knowledge of mechanisms involved in the inhibitory function of C/EBPa, it has not been addressed whether C/EBPa may impinge on cell proliferation by affecting the ribosomal biogenesis of a cell. This work demonstrates an association of C/EBPa to the RNA Pol I transcription factor UBF1, both proteins retained in large chromosomal foci. Similarities to other focal structures associated to UBF1, suggest that C/EBPa may repress transcription of Pol I-transcribed rRNA genes, and thus affect ribosomal biogenesis. The enrichment of C/EBPa at sites of UBF1 is induced by the histone methyltransferase SUV39H1. Thus, C/EBPa may not only control lineage commitment and cell proliferation by regulating genes transcribed by RNA Pol II, but also may act as a repressor of RNA Pol I mediated rRNA synthesis.

Arterien und Venen sind aufgrund ihrer Funktion im Körper morphologisch, funktionell und genetisch unterschiedlich. Schon die großen Blutgefässe auskleidende Endothelzellen zeigen eine arteriovenöse Determinierung. Ausgehend von einer Mikroarray-Analyse der mRNA-Expression arterieller und venöser Endothelzellen der Nabelschnur wurde im Rahmen dieser Arbeit auf Moleküle des Notch-Signalwegs, Dll-4, Notch-4, Hey-1 und Hey-2 fokussiert, die präferenziell bis exklusiv arteriell exprimiert werden. Weitere Gene mit einem arteriellen Expressionsmuster, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit analysiert wurden, sind Angiopoietin-2 und CD44s. Trotz der genetisch definierten Unterschiede ließ der Vergleich physiologisch relevanter Funktionen, wie Proliferation oder die Interaktion mit monozytären Zellen keinen vom endothelialen Zelltyp abhängigen Unterschied erkennen. Die im Matrigel ausgebildeten kapillar-ähnlichen Strukturen sind durch homogene, eng beieinander liegende Netzwerke charakterisiert. Studien über den Einfluss von Wachstumsfaktoren und Schubspannung auf die arteriovenöse Expression von Angiopoietin-2 deuten auf eine schubspannungsvermittelte Regulation der Gefäßstabilität und Differenzierung hin. Die in der Zellkultur durchgeführten Manipulationen, wie der Einfluss verschiedener Wachstumsfaktoren oder die Applikation unterschiedlicher Schubspannungen, erreichten in Bezug auf die Expression der untersuchten Markergene keine tiefer greifende Redifferenzierung des jeweiligen endothelialen Phänotyps. Der evolutionär hoch konservierte Notch-Signalweg ist präferenziell arteriell exprimiert, wobei Hey-2 ausschließlich arteriell exprimiert wird. In adulten Endothelzellen erfolgt die Hey-2-Regulation jedoch Notch-unabhängig. Die arteriovenöse Genexpression von Molekülen des Notch-Signalwegs ist unabhängig von der Schubspannung. Unter hypoxischen Bedingungen verringerte sich die Expression von Dll-4, Hey-1 / 2 dramatisch, ohne das jedoch physiologische Beeinträchtigungen zu beobachten waren. Die Expression des venösen COUP-TF II wird in arteriellen Endothelzellen nicht durch den Notch-Signalweg reguliert. Die Auswertung der Daten in der vorgelegten Arbeit lässt vermuten, dass die einmal festgelegte genetische Determinierung adulter Endothelzellen fixiert und äußeren Einflüssen gegenüber stabil und unumkehrbar ist. Dennoch ist eine gewisse Anpassungsfähigkeit der Endothelzellen an bestimmte Situationen möglich, die zwar die Ausprägung von Merkmalen des jeweilig anderen Phänotyps beinhaltet, jedoch nicht eine vollständige Redifferenzierung.

Neural stem (progenitor) cells (NPCs) from fetal tissue are an ideal transplantable cell source. They divide rapidly, are able to generate cells of all three neural lineages and do not divide uncontrolled once transplanted into a host organism. To obtain large quantities of cells for transplantation strategies and to eliminate primary cell contaminations, long periods of in vitro cultivation are necessary. Mouse NPCs are a crucial tool for further investigations of neural stem cells because they make the employment of transgenic animals in vivo and cells in vitro possible. So far only short-term expanded fetal mouse NPCs have been shown to generate dopaminergic neurons and it is not clear whether this was due to differentiation or a result of increased survival of primary dopaminergic neurons. The aims of the thesis were to characterize mouse fetal NPCs, to establish the long-term expansion of fetal mouse NPCs and the generation of dopaminergic neurons in long-term expanded fetal mouse NPCs, to investigate the signaling mechanisms involved in the differentiation of mouse fetal NPCs towards the dopaminergic phenotype and to compare short and long-term expanded NPCs. Long-term expanded fetal mesencephalic NPCs could be grown under suspension and adherent culture conditions and showed self- renewing capacity as well as markers typical for NPCs. They could be differentiated into the three major cell types of the nervous system, but suspension NPCs had a larger potential to generate neurons than adherently grown NPCs. Signaling cascades involved in this process were p38 and Erk1/2 mediated. Long-term expanded NPCs did not have the potential to generate neuronal sub-types. Importantly, they did not generate dopaminergic neurons. Mouse fetal NPCs from three different developmental stages (E10, E12, and E14) were employed but were not able to differentiate into dopaminergic neurons using factors known to stimulate in vitro dopaminergic specification. When cultivated in vitro for short periods, fetal mesencephalic NPCs were able to generate dopaminergic neurons. By eliminating all primary Th- positive neurons, FACS-sorting of NPCs proved a de novo generation of dopaminergic neurons, because after cultivation and differentiation of Th- depleted cell solutions dopaminergic neurons were present in the culture. However, these newly generated neurons failed to incorporate BrdU, making a generation without cell division from precursors probable. The precursor population of short cultures differed from long-term expanded cultures suggesting an ‘aging’ effect of in vitro conditions. IL-1 was a potent inducer of the dopaminergic neuronal phenotype in short-term expanded in vitro cultures and was expressed in vitro as well as in vivo at E14. Several important conclusions concerning fetal mouse stem cell behavior could be drawn from the results of this work: Firstly, the results showed for the first time that in fetal mouse mesencephalic NPCs dopaminergic neurons differentiate from precursors without cell division, therefore consuming those progenitors. Therein fetal mouse NPCs differ significantly from rat and human NPCs or respond differently to the same in vitro conditions that need to be optimized for fetal mouse NPCs. Secondly, less committed precursors find appropriate conditions to proliferate but not to generate the more committed DA precursors that are able to generate dopaminergic neurons. The hallmarks of stem cells, self-renewal and multipotentiality, seem to be part of a delicate balance, that, when unsettled, goes in favor of one side without the possibility of returning to the previous status. Further research should focus on two coherent issues: the isolation of more pure populations of progenitors and the more precise characterization of progenitor populations to find out which in vitro conditions need to be provided to keep the balance between proliferation and differentiation potential. The knowledge gained about stem cells this way would help establish cell sources for transplantation strategies. / Stammzellen sind ein wichtiges Werkzeug für regenerative Therapien im Bereich der neurodegenerativen Erkrankungen wie der Parkinson’schen Erkrankung. Ein besonderer Vorteil von Stammzellen gegenüber dem bereits zur Transplantation verwendeten Primärgewebe, ist ihre Fähigkeit zur fortlaufenden Zellteilung, so dass ausreichende Mengen zur Transplantation zur Verfügung stehen. Der Vorteil von fetalen neuralen Stammzellen (fNSZ) ist ihre genomische Stabilität, die dazu führt, dass bei Transplantationen keine Tumore entstehen. Dennoch ist der Großteil ihrer Eigenschaften und Potentiale noch unbekannt und die optimalen Wachstumsbedingungen für eine lange in vitro Kultur und optimale Differenzierung in dopaminerge Neuronen müssen erforscht werden, um bessere Transplantate herzustellen. Insbesondere Stammzellen der Maus sind für die Forschung von immenser Wichtigkeit, da sie die Arbeit mit transgenen Tieren ermöglichen. Die Zielsetzungen dieser Arbeit waren die Charakterisierung der fNSZ der Maus, die Langzeitexpansion und die anschließende Differenzierung in dopaminerge Neurone. Die Signalkaskaden der frühen Differenzierung und die Unterschiede von kurz- und langzeitkultivierten Stammzellen wurden untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass fNSZ der Maus nach Langzeitkultivierung in alle Zelltypen des zentralen Nervensystems, also Neuronen und Glia differenzieren und die dabei aktivierten Signalkaskaden p38 und Erk1/2 vermittelt sind. Das Differenzierungspotential zu neuronalen Subtypen (also auch zu dopaminergen Nervenzellen) verloren diese fetalen Stammzellen unter Kulturbedingungen schnell. Das steht im Gegensatz zu fetalen Stammzellen aus Ratte oder dem Menschen, die auch nach langer Kultivierung ihr dopaminerge Potential erhalten. Nur nach Kurzzeitkultivierung waren dopaminerge Neurone nachzuweisen, die jedoch nicht durch Zellteilung aus Vorläuferzellen hervorgegangen waren. Die Eliminierung aller primären Neurone aus der Mittelhirnisolation durch FACS-sorting von Th-Gfp transgenen Mäusen bewies die de novo Generation der dopaminergen Neurone aus Vorläuferzellen ohne Zellteilung während der Kultivierung der Stammzellen. Diese Ergebnisse zeigten, dass in fetalen mesenzephalen NSZ der Maus dopaminerge Neurone von spezialisierten Vorläuferzellen differenzieren, wodurch diese der Kultur verloren gehen. Weniger spezialisierte Vorläuferzellen finden Bedingungen, die ihre Kultivierung ermöglichen, sind aber nicht in der Lage, spezifischere Vorläuferzellen zu bilden. Die Markenzeichen von Stammzellen, Selbsterneuerung (durch Zellteilung) und das Potential, die Zelltypen des Nervensystems zu generieren, scheinen fein balancierte Zustände zu sein, die bei einer Störung nicht wiederherzustellen sind. Die Ergebnisse dieses Projektes sind von großer Bedeutung für die Forschung zur Zellersatztherapie der Parkinson’schen Erkrankung, deren ultimatives Ziel es ist, eine sichere und verlässlich expandierbare Zellquelle zu etablieren, die fähig ist, in dopaminerge Neurone zu differenzieren. Solche Stammzellen würden Bemühungen um Transplantationsstrategien für neurodegenerative Erkrankungen unterstützen und vorantreiben.

Interleukin-10 ist ein Paradebeispiel eines immunhemmenden Zytokins. Es konnte nachgewiesen werden, dass eine Reihe von Tumoren Interleukin-10 produziert, um einer Antitumor-Immunantwort zu entgehen. Viele Studien haben sich mit dem Einfluss von Interleukin-10 auf die antigenpräsentierenden Fähigkeiten der Dendritischen Zellen beschäftigt. Es gibt eindeutige Hinweise, dass der Effekt von tumorproduziertem Interleukin-10 nicht nur in einer hemmenden Wirkung auf die Ausreifung Dendritischer Zellen besteht, sondern dass Interleukin-10 zu einer Reduktion der Anzahl an Dendritischen Zellen führen kann. Ziel dieser Arbeit ist es daher, den Mechanismus für eine solche depletierende Wirkung auf die Dendritischen Zellen zu analysieren. Hierzu wurden die Effekte von Interleukin-10 auf die frühe Differenzierung von Dendritischen Zellen aus Monozyten untersucht. Die Zugabe von Interleukin-10 zu einem Differenzierungscocktail aus Interleukin-4 und Granulozyten/Makrophagen-Kolonie-stimulierendem-Faktor führt zu einer nachhaltigen Hemmung des Differenzierungsprozesses von Monozyten zu Dendritischen Zellen. Bereits 48h nach Beginn der Zellkultur konnte mit Hilfe von cDNA-Microarray-Analysen gezeigt werden, dass Interleukin-10 nicht nur einen Differenzierungs-hemmenden Effekt ausübt, sondern auch die Entstehung aberranter Zellphänotypen bewirkt. In weiteren Experimenten konnte gezeigt werden, dass die Effekte des Interleukin-10 in der frühen Differenzierungsphase weitgehend irreversibel sind. Zusammenfassend können die Ergebnisse zur Erklärung beitragen, wie es bei Patienten mit Tumoren unter dem Einfluss von Interleukin-10 zu einer Reduktion der absoluten Zahl Dendritischer Zellen kommen kann.

To test nanosize surface patterning for application as implant material, a suitable titanium composition has to be found first. Therefore we investigated the effect of surface chemistry on attachment and differentiation of osteoblast-like cells on pure titanium prepared by pulsed laser deposition (TiPLD) and different Ti alloys (Ti6Al4V, TiNb30 and TiNb13Zr13). Early attachment (30 min) and alkaline phosphatase (ALP) activity (day 5) was found to be fastest and highest, respectively, in cells grown on TiPLD and Ti6Al4V. Osteoblasts seeded on TiPLD produced most osteopontin (day 10), whereas expression of this extracellular matrix protein was an order of magnitude lower on the TiNb30 surface. In contrast, expression of the corresponding receptor, CD44, was not influenced by surface chemistry. Thus, TiPLD was used for further experiments to explore the influence of surface nanostructures on osteoblast adhesion, differentiation and orientation. By laser-induced oxidation, we produced patterns of parallel Ti oxide lines with different widths (0.2–10 μm) and distances (2–20 and 1,000 μm), but a common height of only 12 nm. These structures did not influence ALP activity (days 5–9), but had a positive effect on cell alignment. Two days after plating, the majority of the focal contacts were placed on the oxide lines. The portion of larger focal adhesions bridging two lines was inversely related to the line distance (2–20 μm). In contrast, the portion of aligned cells did not depend on the line distance. On average, 43% of the cells orientated parallel towards the lines, whereas 34% orientated vertically. In the control pattern (1,000 μm line distance), cell distribution was completely at random. Because a significant surplus of the cells preferred a parallel alignment, the nanosize difference in height between Ti surface and oxide lines may be sufficient to orientate the cells by contact guiding. However, gradients in electrostatic potential and surface charge density at the Ti/Ti oxide interface may additionally influence focal contact formation and cell guidance. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Zugl.: Berlin, Freie Univ., Diss., 2008

Microtubules are tubular polymers that are involved in a variety of cellular processes such as cell movement, mitosis and intracellular transport. The dynamic behavior of microtubules makes this possible because all of these processes require quick responses. Embryonic stem (ES) cells were first isolated from mouse embryos and they have two unique characteristics; they can be kept undifferentiated for many passages with a stable karyotype and they can be differentiated into any type of cells under appropriate conditions. The pluripotency of ES cells, their ease of manipulation in culture, and their ability to contribute to the mouse germ-line provides us a model of differentiation both in vitro and in vivo. In my thesis I focused on the cell division and neuronal differentiation of ES cells and developed two methods to understand the effects of microtubule dynamics in spindle assembly and chromosome segregation and to reveal the roles of different Microtubule Associated Proteins (MAPs) in the neuronal morphology formation. In the first part, we developed a live-cell imaging method for ES cells to visualize, track and analyze the single cell behavior in a cell population over a time period. So far many techniques have been adapted and combined for imaging of cell lines, mainly for the cancer or immortalized ones. However, because ES cells are very prone to apoptosis, tend to form spheres and hard to stably label, it is quite tricky to image them in culture conditions. In our system, we combined the BAC-based gene expression with wide-field deconvolution microscopy for ES cells that are plated onto the laminin-511 coated surface and kept in CO2 independent culture conditions. This combined technique does not interfere with the growth of cells and keeps them healthy up to 24 hours on the microscope stage. In the second part, we analyzed the effects of MAPs chTOG, EB1, Kif18A and MCAK in the overall spindle morphology and mitotic progression in mES cells. For this purpose, we utilized our stable TUBB-GFP and H2A-GFP cell lines along with our live-cell imaging set-up to reveal the effects of the above-mentioned proteins and the interplay among each other. By using RNAi method we either single or co-depleted the genes by siRNAs and measured the spindle length and width in RNAi conditions. We further analyzed the mitotic progression in H2A-GFP cell line in terms of the metaphase timing and the percentage of chromosome segregation errors. Our results showed that, EB1 depletion did not cause any significant changes in the overall spindle morphology or in the metaphase timing. However, the co-depletion of EB1 with chTOG partially rescued the sichTOG specific mini-spindle phenotype. siKif18A produced longer spindles without any change in the spindle width. Surprisingly, the co-depletion of antagonistic chTOG and Kif18A proteins had additive effects on the spindle dynamics and on mitotic progression in a way that spindle assembly was severely disrupted by the absence of these two proteins and as a result of this, both metaphase timing and chromosome missegregation levels increased significantly. These results overall indicate that MAPs have important roles in the regulation of dynamic instability and these proteins have an interplay among each other to be able to control the morphology of the spindle as well as the correct segregation of chromosomes into daughter cells. In the last part, I will introduce you a new ES cell based differentiation and morphology model, which brings the advantages of high resolution imaging capacity, control over development and easy genetic manipulation and culturing. We have generated Tet-induced shRNA cell lines against chTOG, Kif18A and MCAK, which are also stably expressing TUBB-GFP. These labeled cells were mixed with unlabeled wild-type mES cells before differentiation at 1:1000 ratio and then they were differentiated into mouse cortical cells and spinal motor neurons. Our results showed that, all of the three genes could be successfully knocked-down by shRNA after 48 hours of Tet induction. After mixing the labeled and unlabeled cells, single neurons could be imaged at high resolution and their skeletons could be generated afterwards. The RNAi studies in shchTOG cell line showed that, the knock-down of this gene in early differentiation interferes with the neuronal differentiation.

Neural stem (progenitor) cells (NPCs) from fetal tissue are an ideal transplantable cell source. They divide rapidly, are able to generate cells of all three neural lineages and do not divide uncontrolled once transplanted into a host organism. To obtain large quantities of cells for transplantation strategies and to eliminate primary cell contaminations, long periods of in vitro cultivation are necessary. Mouse NPCs are a crucial tool for further investigations of neural stem cells because they make the employment of transgenic animals in vivo and cells in vitro possible. So far only short-term expanded fetal mouse NPCs have been shown to generate dopaminergic neurons and it is not clear whether this was due to differentiation or a result of increased survival of primary dopaminergic neurons. The aims of the thesis were to characterize mouse fetal NPCs, to establish the long-term expansion of fetal mouse NPCs and the generation of dopaminergic neurons in long-term expanded fetal mouse NPCs, to investigate the signaling mechanisms involved in the differentiation of mouse fetal NPCs towards the dopaminergic phenotype and to compare short and long-term expanded NPCs. Long-term expanded fetal mesencephalic NPCs could be grown under suspension and adherent culture conditions and showed self- renewing capacity as well as markers typical for NPCs. They could be differentiated into the three major cell types of the nervous system, but suspension NPCs had a larger potential to generate neurons than adherently grown NPCs. Signaling cascades involved in this process were p38 and Erk1/2 mediated. Long-term expanded NPCs did not have the potential to generate neuronal sub-types. Importantly, they did not generate dopaminergic neurons. Mouse fetal NPCs from three different developmental stages (E10, E12, and E14) were employed but were not able to differentiate into dopaminergic neurons using factors known to stimulate in vitro dopaminergic specification. When cultivated in vitro for short periods, fetal mesencephalic NPCs were able to generate dopaminergic neurons. By eliminating all primary Th- positive neurons, FACS-sorting of NPCs proved a de novo generation of dopaminergic neurons, because after cultivation and differentiation of Th- depleted cell solutions dopaminergic neurons were present in the culture. However, these newly generated neurons failed to incorporate BrdU, making a generation without cell division from precursors probable. The precursor population of short cultures differed from long-term expanded cultures suggesting an ‘aging’ effect of in vitro conditions. IL-1 was a potent inducer of the dopaminergic neuronal phenotype in short-term expanded in vitro cultures and was expressed in vitro as well as in vivo at E14. Several important conclusions concerning fetal mouse stem cell behavior could be drawn from the results of this work: Firstly, the results showed for the first time that in fetal mouse mesencephalic NPCs dopaminergic neurons differentiate from precursors without cell division, therefore consuming those progenitors. Therein fetal mouse NPCs differ significantly from rat and human NPCs or respond differently to the same in vitro conditions that need to be optimized for fetal mouse NPCs. Secondly, less committed precursors find appropriate conditions to proliferate but not to generate the more committed DA precursors that are able to generate dopaminergic neurons. The hallmarks of stem cells, self-renewal and multipotentiality, seem to be part of a delicate balance, that, when unsettled, goes in favor of one side without the possibility of returning to the previous status. Further research should focus on two coherent issues: the isolation of more pure populations of progenitors and the more precise characterization of progenitor populations to find out which in vitro conditions need to be provided to keep the balance between proliferation and differentiation potential. The knowledge gained about stem cells this way would help establish cell sources for transplantation strategies. / Stammzellen sind ein wichtiges Werkzeug für regenerative Therapien im Bereich der neurodegenerativen Erkrankungen wie der Parkinson’schen Erkrankung. Ein besonderer Vorteil von Stammzellen gegenüber dem bereits zur Transplantation verwendeten Primärgewebe, ist ihre Fähigkeit zur fortlaufenden Zellteilung, so dass ausreichende Mengen zur Transplantation zur Verfügung stehen. Der Vorteil von fetalen neuralen Stammzellen (fNSZ) ist ihre genomische Stabilität, die dazu führt, dass bei Transplantationen keine Tumore entstehen. Dennoch ist der Großteil ihrer Eigenschaften und Potentiale noch unbekannt und die optimalen Wachstumsbedingungen für eine lange in vitro Kultur und optimale Differenzierung in dopaminerge Neuronen müssen erforscht werden, um bessere Transplantate herzustellen. Insbesondere Stammzellen der Maus sind für die Forschung von immenser Wichtigkeit, da sie die Arbeit mit transgenen Tieren ermöglichen. Die Zielsetzungen dieser Arbeit waren die Charakterisierung der fNSZ der Maus, die Langzeitexpansion und die anschließende Differenzierung in dopaminerge Neurone. Die Signalkaskaden der frühen Differenzierung und die Unterschiede von kurz- und langzeitkultivierten Stammzellen wurden untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass fNSZ der Maus nach Langzeitkultivierung in alle Zelltypen des zentralen Nervensystems, also Neuronen und Glia differenzieren und die dabei aktivierten Signalkaskaden p38 und Erk1/2 vermittelt sind. Das Differenzierungspotential zu neuronalen Subtypen (also auch zu dopaminergen Nervenzellen) verloren diese fetalen Stammzellen unter Kulturbedingungen schnell. Das steht im Gegensatz zu fetalen Stammzellen aus Ratte oder dem Menschen, die auch nach langer Kultivierung ihr dopaminerge Potential erhalten. Nur nach Kurzzeitkultivierung waren dopaminerge Neurone nachzuweisen, die jedoch nicht durch Zellteilung aus Vorläuferzellen hervorgegangen waren. Die Eliminierung aller primären Neurone aus der Mittelhirnisolation durch FACS-sorting von Th-Gfp transgenen Mäusen bewies die de novo Generation der dopaminergen Neurone aus Vorläuferzellen ohne Zellteilung während der Kultivierung der Stammzellen. Diese Ergebnisse zeigten, dass in fetalen mesenzephalen NSZ der Maus dopaminerge Neurone von spezialisierten Vorläuferzellen differenzieren, wodurch diese der Kultur verloren gehen. Weniger spezialisierte Vorläuferzellen finden Bedingungen, die ihre Kultivierung ermöglichen, sind aber nicht in der Lage, spezifischere Vorläuferzellen zu bilden. Die Markenzeichen von Stammzellen, Selbsterneuerung (durch Zellteilung) und das Potential, die Zelltypen des Nervensystems zu generieren, scheinen fein balancierte Zustände zu sein, die bei einer Störung nicht wiederherzustellen sind. Die Ergebnisse dieses Projektes sind von großer Bedeutung für die Forschung zur Zellersatztherapie der Parkinson’schen Erkrankung, deren ultimatives Ziel es ist, eine sichere und verlässlich expandierbare Zellquelle zu etablieren, die fähig ist, in dopaminerge Neurone zu differenzieren. Solche Stammzellen würden Bemühungen um Transplantationsstrategien für neurodegenerative Erkrankungen unterstützen und vorantreiben.

Bones are essential vertebrate structures that arise during embryonic development from mesenchymal condensations. In the skull vault, bones arise from condensations above the eye, which later expand to cover the brain. Contrarily to most bones in the axial skeleton, which develop through an intermediate cartilage template, the skull vault develops from the direct differentiation of mesenchymal progenitors into bone cells, or osteoblasts. The molecular details of this process have however remained elusive, since systems allowing the dynamical observation of cells while they undergobone differentiation have been lacking. Recent data in the Tabler lab, acquired by imaging skull caps ex vivo, has uncovered that differentiation takes place during expansion stages, and that a progressive wave of differentiation underlies the presence of intermediate states between progenitors and osteoblasts. In this thesis, we focused on the cranial mesenchyme to study the differentiation trajectory of skull bone progenitors at single cell resolution. By harnessing single cell RNA-Sequencing, we elucidated the heterogeneity of cells in the cranial mesenchyme, describing in molecular terms meningeal, dermal, osteoblastic and progenitor populations. By modelling dynamics from single cell RNA-Seq data, we inferred that a population expressing intermediate levels of cartilage specific genes, such as Col2a1, underlies differentiation towards dermal, meningeal and bone fate. Using single cell resolution in situ RNA hybridisation, we mapped the anatomical location of progenitors in a layer between the meninges and the bone. To better understand the relationship between the phenotype of these progenitors and differentiated cartilage, we examined the presence of cartilage-like ECM in the tissue. Finally, we asked whether similar progenitors may be present in other intramembranous bones outside the skull by re-applying these tools on the clavicle. Taken together, our data lead us to hypothesise a mechanism for differentiation of the cranial mesenchyme, which can explain previous phenotypes reported in the literature and supports a role for cartilage-like cells in intramembranous ossification.

Die mitotische Spindel ist ideal für die Erforschung der Selbstorganisation und Plastizität molekularer Kollektive im Zytoplasma. Die Geometrie der Spindel ist entscheidend für die korrekte Chromosomentrennung, muss sich aber an die Zellgröße anpassen. Es ist unbekannt, ob und wie Zellen während ihrer Differenzierung die Spindelarchitektur anpassen, was insbesondere während der Gehirnentwicklung relevant ist. Wir untersuchten dies mit Maus-Embryonalstammzellen, die in frühe neuronale Vorläuferzellen differenziert wurden. Wir entwickelten ein automatisiertes Mikroskopieprotokoll um einen umfassenden Datensatz von mitotischen Zellen zu generieren. Außerdem entwickelten wir Spindle3D, ein Werkzeug zur dreidimensionalen Analyse von Spindeln. Überraschenderweise waren die Spindelvolumina in differenzierenden Zellen bis zu 24% kleiner als in pluripotenten Zellen. Während die Wachstumsgeschwindigkeit der Mikrotubuli unverändert blieb, verschob sich in sich differenzierenden Zellen die Nukleation von Mikrotubuli zugunsten der astralen Population. Diese Veränderung der Spindelarchitektur basierte auf der differenzierungsbedingten Verdünnung des Zytoplasmas. Dies aktivierte CPAP, ein Protein, das die Zentrosomenreifung reguliert, was zur Superskalierung des perizentriolären Materials und verstärkte Rekrutierung von gamma-Tubulin an den Zentrosomen und somit zur Umlagerung von Mikrotubuli innerhalb der Spindel führte. Diese Veränderungen der mitotischen Architektur konnten durch externe osmotische Einwirkung in undifferenzierten Zellen nachgestellt werden. Insgesamt verbinden unsere Ergebnisse zelltypspezifische zytoplasmatische Materialeigenschaften mit der Spindelarchitektur. / The mitotic spindle provides an excellent system in which to study the plasticity of molecular collectives. To segregate chromosomes accurately, the spindle’s geometry must be adaptive to changes in cell size. It is unknown whether and how differentiating cells adjust spindle architecture, specifically during brain development when spindle defects have severe pathological consequences. Using murine embryonic stem cells, we recapitulated the transition from pluripotency to early neural cell identities in vitro. Aiming at a systematic exploration of spindle and cell morphology throughout this process, we developed an automated microscopy protocol and Spindle3D, a morphometric tool for the analysis of spindles in confocal images. Intriguingly, in cells with comparable cell volume, spindle volumes were up to 24% smaller in cells undergoing differentiation. While microtubule growth speed remained equal, we measured increased nucleation of astral microtubules at the expense of the spindle bulk in differentiating cells. The shift in spindle architecture was explained by the differentiation-driven cytoplasmic dilution. This activated the centrosomal regulator CPAP, causing the superscaling of the pericentriolar material and the concomitant increased recruitment of gamma-tubulin to the centrosomes, redistributing microtubule numbers within the spindle. Mimicking the dilution effect by osmotic challenge reproduced the same mitotic architecture in undifferentiated cells. Collectively, our results link cell state-specific cytoplasmic material properties to spindle architecture.