Background: The beneficial impact of mesenchymal stem cells (MSC) on both acute and chronic liver diseases has been confirmed, although the molecular mechanisms behind it remain elusive. We aim to identify factors secreted by undifferentiated and hepatocytic differentiated MSC in vitro in order to delineate liver repair pathways potentially targeted by MSC. Methods: Secreted factors were determined by protein arrays and related pathways identified by biomathematical analyses. Results: MSC from adipose tissue and bone marrow expressed a similar pattern of surface markers. After hepatocytic differentiation, CD54 (intercellular adhesion molecule 1, ICAM-1) increased and CD166 (activated leukocyte cell adhesion molecule, ALCAM) decreased. MSC secreted different factors before and after differentiation. These comprised cytokines involved in innate immunity and growth factors regulating liver regeneration. Pathway analysis revealed cytokine-cytokine receptor interactions, chemokine signalling pathways, the complement and coagulation cascades as well as the Januskinase-signal transducers and activators of transcription (JAK-STAT) and nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor (NOD-like receptor) signalling pathways as relevant networks. Relationships to transforming growth factor beta(TGF-beta) and hypoxia-inducible factor 1-alpha (HIF1-alpha) signalling seemed also relevant. Conclusion: MSC secreted proteins, which differed depending on cell source and degree of differentiation. The factors might address inflammatory and growth factor pathways as well as chemo-attraction and innate immunity. Since these are prone to dysregulation in most liver diseases, MSC release hepatotropic factors, potentially supporting liver regeneration.

Die Homöostase wird maßgeblich durch die Niere, bestehend aus Millionen funktioneller Untereinheiten, den Nephronen, aufrechtherhalten. Chronisch geschädigte Nephrone führen zur Entwicklung einer terminalen Nierenerkrankung (TNE). Die Erzeugung renaler Zellen aus humanen pluripotenten Stammzellen (hPSCs) stellt eine vielversprechende Strategie zur regenerativen Therapie und Behandlung von TNE dar. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Protokoll zur Differenzierung von renalen Vorläufern (RV) aus hPSCs entwickelt, welches nephronale Zelltypen und Strukturen in vitro und ex vivo erzeugte. Eine selektierte Kombination von Faktoren wurde in diesem 8-Tage-Protokoll genutzt, um die schrittweise Differenzierung der hPSCs zu lenken, indem die embryonale Organogenese der Niere abgebildet wurde. Am Tag 6 der Differenzierung konnten SIX2+/CITED1+ Zellen des metanephrischen Mesenchyms und HOXB7+/GRHL2+ Zellen, welche auf Vorläufer der Ureterknospe hindeuten, nachgewiesen werden. Diese entwickelten sich am Tag 8 weiter zu LGR5+/JAG1+/WT1+ renalen Vesikelzellen. Weiterführende Kultivierung in drei verschiedenen induktiven Medien führte zu WT1+/PODXL+/SYNPO+ Podozytenvorläufern, PDGFRß+/DESMIN+/αSMA+ Mesangialzellen und epithelialen Zellen des proximalen und distalen Tubulus sowie des Sammelrohrs. Außerdem bildeten die Tag-8-Vorläuferzellen spontan 3D renale Organoide aus. Die RV induzierten tubuläre Strukturen an einer Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche und integrierten sich in embryonale Nierenaggregate. Zusammenfassend konnte demnach ein Protokoll entwickelt werden, welches entstehenden Nephronen ähnliche RV generierte, die innerhalb von 14 Tagen in spezialisierte nephronale Zelltypen differenzierten. Diese einfache Methode, um renale Zellen aus einem gemeinsamen Vorläuferpool in einer 2D -Kultur zu erzeugen, schafft die Grundlage für eine Produktion im größeren Maßstab, sowie für Modellsysteme in toxikologischen Untersuchungen oder Zelltherapien. / Kidneys are the central organ for homeostasis for our body systems and composed of around a million functional units, the nephrons. Chronically damaged nephrons deteriorate progressively towards end stage renal disease (ESRD), owing to the limited regenerative capacity of adult mammalian kidneys. The generation of renal cells from human pluripotent stem cells (hPSCs) is a promising strategy to develop regenerative therapies for ESRD. In this study, we established a protocol to differentiate hPSCs to renal progenitors (RP), capable of producing nephronal cell types and structures in vitro and ex vivo. An effective combination of factors obtained after intensive screening, was used to create an 8-day-protocol that steered hPSCs to the renal lineage by a step-wise process outlining the embryonic milestones in kidney organogenesis. Six days after growth factor treatment, a mixture of SIX2+/CITED1+ cells representing metanephric mesenchyme and an HOXB7+/GRHL2+ population indicative of ureteric bud progenitors was obtained that developed into LGR5+/JAG1+/WT1+ renal vesicle cells by the day 8. Prolonged cultivation of these day 8 cells in three inductive media resulted in generation of WT1+/PODXL+/SYNPO+ podocyte-precursors, PDGFRß+/DESMIN+/αSMA+-mesangial cells and fractions of proximal, distal and collecting duct tubular epithelial cells in vitro. Moreover, day 8 cells differentiate spontaneously into renal organoids in culture. The hPSC-derived RP gave rise to tubular structures upon culture as a pellet in air-liquid interface and integrated into embryonic kidney re-aggregations. Thus, we demonstrate that our protocol generates RP reminiscent of nascent nephrons, which can be coaxed into specialized nephronal cell types in vitro after 14 days from hPSCs. This simple and rapid method to produce renal cells from a common precursor pool in 2D culture provides the basis for scaled-up production of tailored renal cell types, applicable for drug testing or cell therapies.

Diese Dissertation setzt sich aus fünf Forschungspapieren zusammen. Jedes Kapitel enthält ein Papier. Das erste Kapitel untersucht den Zusammenhang zwischen der Größe des Kundenstamms einer Firma und ihrem Gewinn in einem Markt mit Wechselkosten. Entgegen unserer Intuition wird gezeigt, dass Firmen nicht immer von einer Vergrößerung ihres Kundenstamms profitieren, weil diese die Intensität des Wettbewerbs beeinflusst. Kapitel 2 führt eine ähnliche Untersuchung durch, aber für einen Markt, in dem die Konsumenten unvollständig über die Standorte der Anbieter informiert sind. Es zeigt sich auch hier, dass eine Firma nicht immer von einem großen Kundenstamm profitiert. Die zugrunde liegenden Mechanismen unterscheiden sich jedoch deutlich von denen in Kapitel 1. Kapitel 3 ist eine Erweiterung des Modells mit unvollständiger Konsumenteninformation hin zu einer vollständig dynamischen Version. Im Zentrum der Analyse stehen nun die dynamischen Eigenschaften des Modells. Unter den Annahmen über die graduelle Verbreitung von Information auf der Konsumentenseite entsteht Trägheit in den Marktanteilen der Firmen. Dynamik entsteht im Modell ausschließlich aufgrund der Verwendung von gemischten Preisstrategien. Kapitel 4 analysiert Wettbewerb in einem vertikal differenzierten Markt. Hier gibt es keine Trägheit auf der Nachfrageseite. Das Hauptergebnis der Analyse ist, dass Wohlfahrtsverluste, die im Duopol aus ineffizienter Qualitätswahl resultieren, in Märkten mit drei oder mehr Wettbewerbern fast vollständig verschwinden. Dieses überraschende Ergebnis resultiert aus einem Regimewechsel in der Art des Wettbewerbs, der beim Übergang vom Duopol zum Markt mit drei Wettbewerbern auftritt. Kapitel 5 ist eine Erweiterung von Kapitel 4. Während in Kapitel 4 ein quadratischer Zusammenhang zwischen Kosten bzw. Zahlungsbereitschaft und Qualität angenommen wurde, wird die Analyse nun für eine allgemeinere nicht-lineare Abhängigkeit durchgeführt. Es werden grundlegende Einsichten über das Funktionieren von vertikal differenzierten Märkten vermittelt. So zeigt sich, dass der allgemein postulierte Vorteil der Firma mit der höheren Produktqualität nicht allgemeingültig ist. Ob dieser besteht, hängt von der Art der strategischen Interaktion ab. / This dissertation consists of five independent research papers. Each chapter represents one paper. The first chapter analyzes the shape of the relation between the size of a firm’s customer base and profit in a market with consumer switching costs. Contrary to common wisdom, it is shown that a firm is not automatically better off with a larger customer base, as the size of its customer base affects the intensity of price competition. Chapter 2 performs a similar exercise, but for a market where consumers are not fully informed about the locations of the different suppliers. Once more, it is shown that firms do not always benefit from an increase in the size of their customer base. However, the underlying mechanisms are rather different than in the model with switching costs. Chapter 3 is an extension of the model introduced in chapter 2 to a fully dynamic game. The focus of chapter 3 is on the dynamics in a market with incomplete consumer information. Under the assumptions about the gradual diffusion of information among consumers, there is inertia in the market shares. Dynamics are generated solely by the firms’ usage of mixed pricing strategies. Chapter 4 analyzes competition in a vertically differentiated market. There is no inertia on the demand side. The main result of the analysis is, that welfare losses that stem from an inefficient choice of qualities in the duopoly case, disappear almost completely as soon as three or more competitors are in the market. This surprising result is related to a regime change in the nature of competition that occurs at the transition from duopoly to triopoly. Chapter 5 is an extension of chapter 4. Whereas the model introduced in chapter 4 was based on a quadratic relation between costs or willingness-to-pay and quality, the analysis is now extended to a more general non-linear dependency. The analysis provides fundamental insights into the functioning of vertically differentiated markets. Interestingly, the well-known high-quality advantage is not a robust feature of these markets. Whether it is obtained, depends on the nature of strategic interaction between the firms.

Unbegrentzte Selbsterneuerungkapazität und Pluripotenz sind charakteristische Merkmale von embryonalen Stammzellen (ES-Zellen). Dennoch sind die molekularen und zellulären Mechanismen, die für das Schicksal der ES-Zellen zuständig sind, noch nicht genau definiert. Um regulierende Faktoren des undifferenzierten Zustands von ES-Zellen zu identifizieren, wurden undifferenzierte ES Zellen, "Embryoid Bodies", spontan differenzierte und mit Retinsäure differenzierte ES Zellen mittels Microarray-Analysen verglichen. Neben bereits etablierten Pluripotenz-Markern, wurde Sprouty4 als eines der am stärksten degerulierten Transkripte unter diesen Bedingungen identifiziert. Sprouty4 ist als Inhibitor des ERK (Extracellular signal-regulated protein kinase)-Signalweges bekannt, aber seine Rolle in ES-Zellen wurde noch nicht definiert. Mittels Genexpression und Western BlotAnalysen konnte gezeigt werden, dass Sprouty4 in undifferenzierten ES-Zellen stark exprimiert ist und im Verlauf der Differenzierung schnell herunterreguliert wird. In vivo war Sprouty4 auf die innere Zellmasse (ICM) der Mausblastozyste beschränkt. Außerdem wurde gezeigt, dass der Sprouty4 Promotor durch direkte Bindung der PluripotenzMarkern Nanog, Klf4 und Stat3 reguliert wird. ES-Zellen, die Sprouty4 konstitutiv exprimieren, waren resistent gegen Differenzierung durch Zugabe von Retinsäure oder Bildung von Embryoid Bodies. Hingegen führte die Expression einer dominant-negativen Mutante von Sprouty4 zu einer erhörten Sensitivierung von ES-Zellen gegenüber der Differenzierung und zur Bildung extraembryonaler Gewebe begleitet von Endoreduplikation. Zusammenfassend konnten unsere Ergebnisse zeigen, dass die enge Regulation des ERK-Signalweges und warscheinlich anderer Signalwege durch Sprouty4 notwendig ist, um die Balance zwichen Pluripotenz und Differenzierung embryonaler Stammzellen zu kontrollieren. / A hallmark feature of embryonic stem (ES) cells is the ability to self-renew indefinitely while maintaining pluripotency. However, the molecular and cellular mechanisms underlying ES cell fate are poorly understood. To identify signaling pathway molecules that maintain the uncommitted state of ES cells, a microarray analysis was performed comparing undifferentiated ES cells, mature embryoid bodies, spontaneously differentiated and retinoic acid-induced differentiated ES cells. Among several well-validated pluripotency markers, Sprouty4 was identified as one of the most highly deregulated transcripts under these conditions. Sprouty4 is known as an inhibitor of the extracellular signal-regulated protein kinase (ERK/MAPK) pathway however its role in ES cells has not yet been defined. Gene expression and western-blot analyses have shown that Sprouty4 is highly expressed in ES cells and strongly downregulated upon differentiation whilst in vivo, Sprouty4 is confined to the founder population of ES cells, the inner cell mass of mouse blastocysts. Moreover, the Sprouty4 promoter was found to be regulated via the direct binding of the intrinsic pluripotency-associated factors Nanog, Klf4 and Stat3. ES cells engineered to constitutively express a wild-type version of Sprouty4 were found to be resistant to differentiation induced by retinoic acid or embryoid bodies formation. Conversely, expression of a dominant negative Sprouty4 mutant activating the ERK/MAPK pathway in a sustained manner sensitized ES cells to differentiation and triggered endoreduplication leading to the formation of extraembryonic tissue. Taken together, these results highlight the essential role of Sprouty4 in the tight regulation of the ERK/MAPK pathway- and probably others- for the balance between pluripotency and lineage commitment in mouse embryonic stem cells.

Mastzellen sind ubiquitär im Bindegewebe vorkommende Zellen, welche eine Vielzahl von Mediatoren physiologischer und pathologischer Prozesse exprimieren. Ihre Zahl ist in gesunden Geweben gering, am höchsten jedoch in der Haut und Schleimhäuten von Nase, Auge und Gastrointestinaltrakt sowie in der Lunge. Die Ergebnisse unserer Arbeitsgruppe zeigen, dass unter pathologischen Bedingungen, insbesondere bei entzündlichen Reaktionen und Erkrankungen des atopischen Formenkreises, die Mastzellzahlen um ein Vielfaches steigen. Dabei werden die Vorläuferzellen des Blutes, welche aus einer CD34+/c-Kit+ hämatopoetischen Stammzelle des Knochenmarkes rekrutiert werden, aktiviert und durch chemotaktisch wirkende Faktoren zur Einwanderung in die Gewebe stimuliert. Unter Verwendung von in vitro Kulturmodellen konnte gezeigt werden, dass diese Vorläuferzellen im Blut die Expression von c-Kit und CD34 herunterregulieren und als Zellpool im peripheren Blut zirkulieren. Nach Aktivierung der Zellen wurde c-Kit wieder nachgewiesen. Die Zellen wandern ins Gewebe ein und differenzieren dort unter Einfluss von Zytokinen, welche durch andere Gewebszellen freigesetzt werden, aus. Es wurden Wechselwirkungen in der Haut zwischen Mastzellen und Fibroblasten, Melanozyten, Keratinozyten und Nervenzellen gezeigt. Als Mittler dieser Wechselwirkungen konnten, neben den in der Literatur beschriebenen Faktoren, von uns SCF, GM-CSF, NGF und andere Neurotrophine zum Beispiel BDNF, NT-3 und NT-4 gezeigt werden. Die Regulation und Freisetzung dieser Faktoren ist bei pathologisch veränderter Haut, wie bei Atopischer Dermatitis, Psoriasis, Haarwachstumsstörungen, Tumoren der Haut und in der Wundheilung verändert. Die Modulation der Expression dieser Faktoren und ihrer Rezeptoren durch verschiedene Therapeutika, wie Glukokortikoide, Antihistaminika, Retinoide und UV-Bestrahlung konnte in verschiedenen Kulturmodellen gezeigt werden. Diese Erkenntnisse können in Zukunft bei der Entwicklung neuer Therapeutika zur Behandlung von verschiedenen Erkrankungen der Haut, Lunge sowie Darm und, da in zunehmendem Maße auch von Mastzellfunktionen in anderen Organen, wie Hirn, Herz, Leber und Niere berichtet wird, auch hier weiterführend beitragen. / Mast cells are ubiquitary connective tissue cells derived from bone marrow CD34+/c-Kit+ stem cells. They are able to produce various regulators of physiological and pathological processes. Normally, they are present in low numbers with highest density in skin and nasal, ophthalmic, gastrointestinal and pulmonary mucosa. The number is increased up to 100-fold in various pathological processes as inflammatory reactions and atopic diseases. During this processes mast cell precursors from peripheral blood are activated, migrate in the tissues by the effects of chemotactically acting factors. In order to elucidate the mechanisms involved in this processes, we established different in vitro cell culture models. Our results suggest that the precursor cells circulating in the peripheral blood do not express c-Kit. When the cells are activated, c-Kit expression is upregulated and the cells are able to migrate in the tissue, where they differentiate influenced by cytokines released from tissue cells. The interaction between mast cells and fibroblasts, melanocytes, keratinocytes and nerve cells were studied. Stem cell factor, GM-CSF, nerve growth factor and other neurotrophins as BDNF, NT-3 and NT-4 could be demonstrated as mediators of this interactions. The regulation and release of these factors are modified in pathological skin diseases as atopic dermatitis, psoriasis, changes in the hair cycle and skin tumors and in wound healing. Modulation of expression of these factors and its receptors by therapeutics as glucocorticoids, antihistamines, retinoids and UV-radiation was shown in different culture models. Our results may contribute to develop new therapeutics for skin, pulmonary and intestinal diseases and give new insights in mast cell functions in brain, liver and kidney.

Les pathologies musculo-squelettiques affectant les os et les articulations demeurent un défi pour la médecine régénératrice. Les difficultés retrouvées sont liées aux besoins d’une vascularisation tissulaire optimale pour les substituts osseux et à l’obtention d’un cartilage de qualité pour les substituts articulaires. Les objectifs de ces travaux de thèse étaient de parvenir à différencier des cellules souches mésenchymateuses (CSM) ombilicales humaines – outil de choix en médecine régénérative - vers un phénotype vasculaire et un phénotype chondrogénique articulaire pour répondre aux besoins de l’ingénierie tissulaire musculo-squelettique. La différenciation de CSM ombilicales en cellules musculaires lisses vasculaires a été montrée après 12 jours de stimulation par des facteurs solubles comme le transforming growth factor (TGF)-beta1 et l’acide ascorbique. Face aux limites des supports de culture en deux dimensions in vitro, un modèle de culture tridimensionnel a été mis en place à l’aide de CSM cultivées en “pellets” en présence ou non d’une solution matrice extracellulaire (MEC) ombilicale pour les expériences suivantes. Les facteurs solubles disposant d’une efficacité limitée et étant souvent onéreux, une transduction des “pellets” de CSM-GW a été réalisée à l’aide de virus adéno-associés recombinants (rAAV) permettant une synthèse de facteurs par les cellules à plus long terme. Ici, les pellets ont été transduits à l’aide de rAAV contenant le gène du facteur de transcription Sox9 afin d’induire une différenciation chondrogénique articulaire. Ces travaux démontrent l’intérêt d’associer la MEC et les CSM ombilicales humaines dans un modèle de culture en trois dimensions, ainsi que les outils de thérapie génique comme les rAAV pour constituer des implants utilisables pour régénérer les tissus musculo-squelettiques / Musculoskeletal conditions affecting bones and joints remain a challenge for regenerative medicine. The difficulties found are related to the needs of an optimal tissue vascularization for bone substitutes and to obtain a cartilage of quality for articular substitutes. The objectives of this PhD work were to differentiate human umbilical mesenchymal stem cells (MSC) - a tool of choice in regenerative medicine - towards a vascular phenotype and a joint chondrogenic phenotype to meet the needs of musculoskeletal tissue engineering. The differentiation of umbilical MSC into vascular smooth muscle cells was shown after 12 days of stimulation by soluble factors such as transforming growth factor (TGF)-beta1 and ascorbic acid. Facing the limits of two-dimensional culture supports in vitro, a three-dimensional culture model was set up using MSC cultured in pellets with or whitout an umbilical extracellular matrix (ECM) solution for the following experiences. Soluble factors have a limited efficacy and are often expensive, a transduction of MSC pellets was performed using recombinant adeno-associated viruses (rAAV) allowing a long term synthesis of factors by the cells. Here, the pellets were transduced using rAAV containing the Sox9 transcription factor gene to induce articular chondrogenic differentiation. This work demonstrates the interest of associating ECM and human umbilical MSC in a three-dimensional culture model, as well as gene therapy tools such as rAAVs to provide grafts that can be used to regenerate musculoskeletal tissues / Muskel- und Skeletterkrankungen an Knochen und Gelenken bleiben eine Herausforderung für die regenerative Medizin. Die Schwierigkeiten stehen im Zusammenhang mit den Ansprüchen einer optimalen Gewebevaskularisierung der Knochenersatzstoffe und damit, einen qualitativ hochwertigen Knorpel für den Gelenkersatz zu erhalten. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, humane mesenchymale Stammzellen (MSZ) aus der Nabelschnur, die das Werkzeug der Wahl in der regenerativen Medizin sind, in einen vaskulären und in einen chondrogenen Phänotyp zu differenzieren, um den Anforderungen des muskuloskeletalen Tissue Engineerings zu entsprechen. Die Differenzierung von Nabelschnur-MSZ in vaskuläre glatte Muskelzellen konnte durch Stimulation mit löslichen Faktoren wie dem Transforming Growth Factor (TGF)-beta1 und Ascorbinsäure nach 12 Tagen gezeigt werden. Angesichts der Grenzen einer zweidimensionalen Zellkultur in vitro, wurde ein dreidimensionales Kulturmodell, in dem MSZ in Pellets mit oder ohne extrazelluläre Matrix der Nabelschnur (EZM) kultiviert wurden, für die weiteren Versuche erstellt. Lösliche Faktoren haben eine limitierte Wirksamkeit und sind häufig teuer. Deshalb wurden die MSZ-Pellets mit rekombinanten Adeno-assoziierte Viren (rAAV) transduziert, was eine Synthese der Faktoren durch die Zellen über einen längeren Zeitraum ermöglicht. In unserem Fall wurden die Pellets mit rAAV, die das Transkriptionsgen Sox9 enthalten, tranzduziert, um eine artikuläre chondrogene Differenzierung zu induzieren. Diese Arbeit zeigt, dass es von Interesse ist EZMs und humane Nabelschnur-MSZ in einem dreidimensionalen Kulturmodell zu vereinen. Auch wird gezeigt, dass Werkzeuge der Gentherapie wie rAAVs, die den Transplantaten zugeführt werden, helfen können muskuloskeletales Gewebe zu regenerieren

Serotonin ist ein Neurotransmitter im zentralen Nervensystem (ZNS), die eine Vielzahl von Funktionen in der menschlichen Physiologie hat. Serotonergen Neuronen in der Raphe-Kerne des Gehirns Unser Ziel war die Leitung der Differenzierung von embryonalen Stammzellen (ES-Zellen) eingeengt und pluripotenten Stammzellen (iPS) Zellen in eine angereicherte Population von Serotonin-produzierenden Zellen, neuartige Gene, die wesentlich für die Entwicklung zu identifizieren und die Funktion des serotonergen Systems. Zu diesem Zweck haben wir differenzierten ES-Zellen in Serotonin-produzierenden Neuronen. Verwendung von RNA zu verschiedenen Zeitpunkten im Verlauf der ES-Zelldifferenzierung wir Gene spezifisch in serotonergen Linie von Affymetrix Genarray angereichert identifiziert isoliert. Um Kandidatengene bewerten wir neu programmiert Maus und Ratte embryonale Fibroblasten zu iPS-Zellen und anschließend differenziert sie serotonergen Neuronen. Wir haben uns für Cacna2d1, für eine alpha2 / delta-Untereinheit von spannungsabhängigen Calciumkanäle als prominentesten Kandidaten unter diesen Genen kodiert. Zur Analyse der Rolle des Proteins Cacna2d1 wir verwendet Cacna2d1 Knockout-Mäusen und Morpholino-Knockdown im Zebrafisch. Wir versäumt, direkte Beteiligung der Cacna2d1 mit serotonergen Systems sehen. Allerdings Immunfärbung für Cacna2d1 in Zebrafisch zeigte zeitabhängige Muster während der frühen Entwicklung. Cacna2d1 Expression wurde in seitlichen Mittellinie Stamm gesehen; vermutlich in Neuromasten Zellen. Übereinstimmend mit ihrer Charakterisierung als Neuromasten werden diese Cacna2d1-positiven Zellen in Richtung der Schwanz der Migration. Darüber hinaus zeigte Zebrafisch gestörten Migrationsverhalten der Neuromasten nach Morpholino-Knockdown von Cacna2d1. So ist diese Studie stellte klar, dass Cacna2d1 ist für Zebrafisch Seitenlinie Entwicklung aber keinen Einfluss auf die Einrichtung des serotonergen Systems. / Serotonin is a neurotransmitter in the central nervous system (CNS), which has a wide range of functions in human physiology. Serotonergic neurons are concentrated in the raphe nuclei of the brain We aimed at directing the differentiation of embryonic stem (ES) cells and induced pluripotent stem (iPS) cells into an enriched population of serotonin producing cells to identify novel genes that are essential for the development and function of serotonergic system. To this purpose we differentiated ES cells into serotonin producing neurons. Using RNA isolated at different time points during the course of ES cell differentiation we identified genes specifically enriched in the serotonergic lineage by Affymetrix gene array. To evaluate candidate genes we reprogrammed mouse and rat embryonic fibroblast to iPS cells and subsequently differentiated them to serotonergic neurons. We selected Cacna2d1, coding for an alpha2/delta subunit of voltage dependent calcium channels as a most prominent candidate among these genes. To analyse the role of the Cacna2d1 protein we used Cacna2d1 knockout mice and morpholino-knockdown in zebrafish. We failed to see direct involvement of Cacna2d1 with serotonergic system. However immunostaining for Cacna2d1 in zebrafish revealed time-dependent pattern during early development. Cacna2d1 expression was seen in lateral midline trunk; presumably in neuromast cells. Concordantly with their characterization as neuromasts, these Cacna2d1-positive cells are migrating towards the tail. Moreover, zebrafish showed disturbed migration behaviours of neuromasts after morpholino-knockdown of Cacna2d1. Thus, this study clarified that Cacna2d1 is essential for zebrafish lateral line development but does not affect the establishment of the serotonergic system.

Humane NK Zellen können in CD56br und CD56dim NK Zellen unterteilt werden. In dieser Arbeit wurde untersucht, in welchem Zusammenhang die verschiedenen NK Zell Populationen stehen und wie funktional kompetente NK Zellen generiert werden. Des Weiteren wurde die Heterogenität der CD56dim NK Zell Population in Bezug auf Funktionalität und Differenzierungsstadien analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass CD56br NK Zellen in CD56dim NK Zellen differenzieren. Währenddessen werden u.a. MHC-I spezifische inhibierende Rezeptoren (KIR) erworben. Diese sind essentiell für die Unterscheidung zwischen “Selbst” und “Nicht-Selbst”, wobei nur NK Zellen, die Selbst-MHC-spezifische KIRs tragen, funktional kompetent sind. In der vor-liegenden Arbeit konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass zuvor anerge NK Zellen nach Zytokin-induzierter Expression eines Selbst-MHC-spezifischen KIRs kompetent werden. Ex vivo Analysen humaner Gewebe lassen vermuten, dass diese Prozesse während einer Entzündung in sekundären lymphatischen Organen (SLO) stattfinden könnten. Auch CD56dim NK Zellen selbst sind nicht homogen, hingegen können anhand der Expression von KIRs oder CD62L, welches für die Migration in SLO wichtig ist, weitere Subpopulationen unterschieden werden. Eine umfassende Analyse bezüglich KIR und CD62L Expression führte zur Identifizierung einer zuvor nicht charakterisierten CD56dimCD62L+ NK Zell Population, welche die Fähigkeiten von CD56br, Zytokine zu produzieren und zu proliferieren, mit einem hohen zytotoxischen Potenzial, vereinigt. Weitere ex vivo Untersuchungen des Phänotyps, der Telomerlängen und der Verteilung in Relation zum Alter lassen vermuten, dass die Differenzierung humaner NK Zellen von CD56br über CD56dimCD62L+ zu CD56dimCD62L- verläuft, wobei die Zellen mit fortschreitender Dif-ferenzierung ihre Fähigkeit auf Zytokine zu antworten verlieren und dafür die Fähigkeit er-langen, über aktivierende Rezeptoren stimuliert zu werden. / Human NK cells comprise two main subsets, CD56br and CD56dim cells. In this study, an extensive analysis of human NK cell phenotype and functional characteristics has been performed in order to investigate the developmental relation between NK cell subsets, to elucidate how NK cell competence is acquired and to further dissect the heterogeneity of the CD56dim subset with regard to functions and differentiation history of human NK cells. It could be shown that upon cytokine activation, CD56br differentiate into CD56dim NK cells and that this process might take place in inflamed secondary lymphoid organs (SLO). One of the crucial markers acquired during this process is KIR, the main MHC-specific inhibitory receptors responsible for self versus non self recognition. Previously, it has been shown that only cells expressing self-MHC specific KIRs are responsive to activating stimuli. In this study, it was demonstrated that induction of self-MHC specific KIR by cytokines leads to acquisition of functional competence. Ex vivo analysis of human tissues suggests that acquisition of KIR and consequently of cytotoxic competence may occur in inflamed SLO. Finally, it was demonstrated that CD56dim NK cells do not represent a homogenous population. When dissected for CD62L and KIR expression, a new subset of NK cells could be identified, namely CD56dimCD62L+, which uniquely combines properties of CD56br NK cells, particularly high IFN-g production upon cytokine stimulation, proliferation and potential to migrate into SLO, with the capacity of CD56dim to kill, produce cytokines upon activating receptor stimulation and to migrate into inflamed tissues. Ex vivo analysis of the function, phenotype, telomere length and frequencies during ageing of CD56br, CD56dimCD62L+ and CD56dimCD62L- NK cells suggest that CD56dimCD62L+ cells represent an intermediate stage of NK cell maturation between the more immature CD56br and the terminally differentiated CD56dim CD62L- NK cells.

Die Mechanismen der Mastzell(MZ)-Homöostase in peripheren Geweben sind weitgehend unbekannt. Die Regulation der MZ-Zahlen schließt wahrscheinlich die lokale Proliferation der Gewebe-MZ sowie die Rekrutierung und Differenzierung von MZ-Vorläuferzellen ein, wobei das Gewebe den MZ-Phänotyp beeinflusst. Fibroblasten (Fb) induzieren die Proliferation und Differenzierung unreifer Knochenmark-generierter MZ (BMCMC) zu Bindegewebs-MZ (CTMC). Da BMCMC an Fb adhärieren, wurde untersucht ob dieser direkte Zellkontakt für die Fb-induzierte Proliferation und die Differenzierung zu CTMC entscheidend ist. Cokultur-Experimente mit BMCMC und Fb zeigten, dass die verstärkte Proliferation, der erhöhte Histamingehalt und die Induktion der Expression der MZ Protease 4 (MCPT-4) mRNA (beides Marker der CTMC) vom direkten Zellkontakt abhängen. Adhäsionsversuche mit blockierenden Antikörpern demonstrierten, dass die Interaktion von alpha4beta7 Integrin auf den BMCMC mit Vascular Cell Adhesion Molecule 1 (VCAM-1), auf den Fb, an der Adhäsion beteiligt ist, die Proliferation und Differenzierung der MZ selbst jedoch nicht auslöst. Interessanterweise zeigten BMCMC die Kit, den Rezeptor für den wichtigen MZ-Wachstumsfaktor Stammzellfaktor (SCF), nicht exprimieren, ebenfalls die kontaktabhängigen Fb-induzierte Veränderungen, wenngleich im geringeren Ausmaß. Eine genomweite Expressionsanalyse wies schließlich die kontaktabhängige Hochregulation der Expression weiterer Gene, die mit dem Phänotyp der CTMC assoziiert sind, nach. Des Weiteren konnte die Verringerung der Expression bestimmter Gene gezeigt werden, die von unreifen MZ oder MZ-Vorläufern exprimiert werden. Insgesamt zeigen die Daten der hier vorliegenden Arbeit, dass für die durch Fb ausgelöste umfassenden Differenzierung und Ausreifung von unreifen MZ zu CTMC, eine teilweise durch VCAM-1/alpha4beta7 vermittelte direkte Zell-Zell-Interaktion notwendig ist, bei der sowohl Kit-abhängige, als auch Kit-unabhängige Signalwege involviert sind. / The precise mechanisms of mast cell (MC) homeostasis in peripheral tissues are largely unknown. Regulation of MC numbers is assumed to involve the proliferation of local MCs and the recruitment and subsequent differentiation of MC precursors, whereas the tissues determine the MC phenotype. Fibroblasts (Fb) induce proliferation and differentiation of bone marrow-derived cultured MCs (BMCMCs) towards connective tissue type MCs (CTMCs). Since BMCMCs exhibit adhesion to Fbs, it had been analyzed, whether this direct cell-to-cell crosstalk is mandatory for the differentiation towards CTMCs. It was found that Fb-cocultured immature MCs exhibit increased proliferation and histamine content and the induced expression of mast cell protease 4 (mcpt4) mRNA, both markers for mature CTMC, and that these changes required a directed cell-to-cell interaction. Adhesion Assays using blocking mAbs revealed that the interaction of alpha4beta7 integrin on BMCMCs with Fb-expressed Vascular Cell Adhesion Molecule 1 (VCAM-1) is largely responsible for the adhesion, which itself didn’t induce proliferation and differentiation of MCs. Most notably, MCs deficient for Kit, the receptor for the MC growth factor stem cell factor (SCF), also showed a significant Fb-induced increase in histamine content, mcpt4 expression, and proliferation, albeit to a lesser extent than wildtype BMCMCs. Whole genome expression analysis showed contact-dependently upregulated expression of several genes associated with CTMC phenotype and functions. Furthermore, downregulation of genes associated with MC progenitors had been shown. Collectively, the data show that the Fb-induced substantial differentiation of immature MCs towards CTMCs requires a partly VCAM-1/alpha4beta7-mediated cell-to-cell interaction and involves both Kit-dependent and -independent signaling pathways.

Der Coxsackie- und Adenovirus Rezeptor (CAR) ist als Bestandteil von Tight Junctions (TJ) an interzellulären Adhäsionsprozessen beteiligt und scheint eine wichtige Rolle in der Karzinogenese zu spielen. Diese ist jedoch insbesondere bei Entstehung von Darmkrebs weitgehend unklar. Ziel der Arbeit war es daher, die funktionelle Bedeutung, mögliche Interaktionspartner sowie die Expressionsregulation von CAR im kolorektalen Karzinom zu analysieren. In den Zelllinien CaCo2, Colo205, DLD1, HCT116, HT29, SW480 und T84 konnte die Expression von CAR (mRNA und Protein) nachgewiesen werden. Nach stabiler CAR-Überexpression durch Transfektion von CARcDNA in DLD1, HCT116 und SW480 wurde das Zellwachstum gehemmt und eine Abnahme von Migration und Invasion induziert. Eine stabile CAR-Inhibition nach Transfektion von CARsiRNA führte in diesen Zelllinien zum Anstieg der Proliferation sowie zu verstärkter Migrations- und Invasionsaktivität, die in DLD1 mit morphologischen Änderungen einhergingen. Eine Genexpressionsanalyse der Zelllinie DLD1 mit CAR-Inhibition identifizierte α-Catenin als das am stärksten regulierte Gen. Obwohl keine direkte Interaktion beider Proteine detektiert werden konnte, führte eine stabile Re-Expression von α-Catenin in DLD1 mit stabiler CAR-Inhibition zu einer deutlichen Reduktion von Proliferation, Migration und Invasion sowie zu einem Rückgang der zellmorphologischen Änderungen. Um den Einfluss von Differenzierung auf die Regulation der CAR-Expression zu untersuchen, erfolgte eine Behandlung aller Zelllinien mit Natriumbutyrat. Dies führte in fünf der sieben Zelllinien zu einer Aktivierung des CAR-Promotors sowie zu einer gesteigerten Expression und Immunoreaktivität von CAR an der Zelloberfläche. Die Zelllinie CaCo2 zeigte nach spontaner Differenzierung durch 21-tägiges Wachstum post Konfluenz ebenfalls eine verstärkte CAR-mRNA-Expression sowie eine erhöhte CAR-Präsenz an der Zelloberfläche. Die gewonnenen Daten konnten die funktionelle Bedeutung von CAR für die Kolonkarzinogenese sowie den Einfluss von α-Catenin auf diese Funktion deutlich machen. Es wurde gezeigt, dass die Expressionsregulation sowie die subzelluläre Verteilung von CAR durch den zellulären Differenzierungsstatus beeinflusst werden kann. / The Coxsackie and Adenovirus Receptor (CAR) is a transmembrane compound of the tight junctions in polarized epithelial cells mediating cellular adhesion. CAR was suggested to play a functional role in the development of epithelial malignomas but detailed knowledge is still lacking, especially for the colorectal carcinoma. Therefore, the functional impact and regulation of CAR expression in human colorectal carcinoma cell models were investigated. CAR protein and mRNA was detectable in the cell lines CaCo2, Colo205, DLD1, HCT116, HT29, SW480 and T84. Stable CAR over expression by transfection of CARcDNA in DLD1, HCT116 and SW480 led to reduced proliferation in vitro and in vivo. Also reduced migration and invasion were observed. Stable CAR inhibition by transfection of CARsiRNA in the same cell lines resulted in increased migration and invasion. In DLD1 morphological changes were found after CAR inhibition. Differential gene expression was detected in DLD1 cells with stable CAR inhibition revealing an 18-fold decrease in α-Catenin gene expression. Loss of α-Catenin was obtained on protein level, too. Although no direct interaction between CAR and α-Catenin could be proven ectopic re-expression of α-Catenin in DLD1 with CAR inhibition reversed the determined functional and morphological effects of a CAR knock down. Then, the impact of differentiation on regulation of CAR expression was investigated. Sodium butyrate treatment induced differentiation in all cell lines (determined by alkaline phosphatase activity), which was paralleled by an increase of CAR immunoreactivity at the plasma membrane in all cell lines but CaCo2. However, CAR protein and mRNA expression, as well as CAR gene promoter activity increased in 5 cell lines only, whereas in SW480 and CaCo2 a down regulation was observed. Spontaneous differentiation of CaCo2 after a growth period of 21 days post confluence resulted in up regulation of CAR mRNA expression as well as increased CAR presence at the plasma membrane. The data suggest that CAR plays a crucial role in the carcinogenesis of colorectal carcinoma which could be influenced by α-Catenin interaction. Differentiation determines the regulation of CAR expression and the subcellular distribution of CAR in colon cancer cells.