The experimental work of this thesis addresses the questions of whether established cell lines injected into murine blastocysts find their way back home and seed preferentially at the site of their origin. Furthermore, can they change their fate and differentiate to unrelated cell types when exposed to the embryonic environment. This survey was based on the fact that different cell lines have different potentials in developing embryos, dependent on their cellular identity. The cell lines used in this survey were AGM region-deriving DAS 104-4, DAS 104-8 cells, yolk sac-deriving YSE cells and bone marrow-deriving FDCP mix cells. These cells were injected into mouse blastocysts. Donor cells were traced in developing embryos via specific markers. Analysis of the embryos revealed that DAS cells are promiscuous in their seeding pattern, since they were found in all analysed tissues with similar frequencies. YSE cells showed preferences in seeding yolk sac and liver. YSE donor cells in chimaeric tissues were not able to change their immuno-phenotype, indicating that they did not change their destiny. Analysis of adult mice did not reveal any of YSE-derived cells donor contribution. In contrast, FDCP mix cells mostly engrafted haematopoietic tissues, although the embryos analysed by in situ hybridization had donor signals frequently in cartilage primordia, heads, and livers. Analysis of whether FDCPmix-derived cells found in foetal livers were of haematopoietic or hepatocytes nature showed that progeny of injected FDCP mix cells do not differentiate into cells that express a hepatocyte-specific marker. Further analysis showed that FDCPmix-derived donor cells found in brain express neural or haematopoietic markers. In order to reveal if they transdifferentiate to neurons or fuse with neurons/glial cells, nuclear diameters of donor and recipient cells were determined. Comparison of the nuclear diameters of recipient and donor cells revealed no differences. Therefore this suggests that progeny of FDCP mix in brain are not fusion products. Analysis of adult mice tissues revealed that presence of FDCP mix-derived cells was the highest in brains. These results confirmed the assumption that the developmental potential of the analysed cells cannot be easily modified, even when exposed to early embryonic environment. Therefore one can conclude that the analysed cell types had different homing patterns depending on their origins. / In der vorliegenden Arbeit wurde als zentrale Frage untersucht, wie Zellen verschiedener etablierter Zelllinien nach Injektion in murine Blastozysten an der Entwicklung der resultierenden chimären Tiere beitragen. Insbesondere wurde untersucht, ob injizierte Zellen bevorzugt oder ausschließlich Gewebe ihres Ursprungs besiedeln (“Homing“), oder ob Donorzellen auch heterologe Gewebe infiltrieren und gegebenenfalls gar unter dem Einfluß der frühembryonalen Blastozysten-Umgebung ihr Zellschicksal ändern und in andere Zelltypen transdifferenzieren können. Diese Studie basiert auf früheren Arbeiten, in denen gezeigt wurde, daß unterschiedliche Zelllinien - in Abhängigkeit ihrer Identität - verschiedene Entwicklungspotentiale im frühen Embryonalstadium haben. Folgende Zelllinien wurden in der vorliegenden Arbeit untersucht: DAS 104-4 und DAS 104-8 (beide aus der sogenannten AGM Region isoliert), YSE (aus dem Dottersack) und FDCP mix (aus Knochenmark abstammend). Zellen dieser Zelllinien wurden in Maus Blastozysten injiziert und der Chimärismus in sich entwickelnden Embryonen oder adulten Tieren mit Hilfe von Donorzell-spezifischen Markern analysiert. Die Analyse chimärer Embryonen ergab, daß DAS Zellen diese promiskuitiv besiedeln: DAS Zellen wurden in allen untersuchten Geweben mit ähnlichen Häufigkeiten gefunden. YSE Zellen hingegen wurden bevorzugt in der fötalen Leber und im Dottersack nachgewiesen. YSE Donorzellen in chimären Geweben zeigten keine Änderungen in ihrem Immunphänotyp und damit keine Hinweise auf eine mögliche Transdifferenzierung. In adulten Mäusen konnten keine YSE-abstammende Zellen mehr identifiziert werden. FDCP mix Zellen besiedelten vor allem hämatopoetische Gewebe. In Embryonen wurden allerdings auch häufig Donorzell-spezifische in situ Hybridisierungssignale in Knorpelvorläufergewebe, der Leber und in der Kopfregion erhalten. Die FDCP mix Marker positiven Zellen der fötalen Leber wurden negativ auf die Expression von Hepatozyten-Markern getestet. Dies spricht auch in diesem Fall gegen einen Wechsel der Donorzellidentität und Transdifferenzierung. Im Gegensatz dazu wurden im Gehirn FDCP mix abstammende Spenderzellen identifiziert, die entweder neurale oder hämatopoetische Marker tragen. Die Zellkerndurchmesser wurden für die Donor-abstammenden Zellen und für die endogenen Gehirnzellen bestimmt und wiesen keinen signifikanten Unterschied auf. Dieser Befund läßt vermuten, daß FDCP mix abstammende Zellen mit Expression von neuralen Markern nicht das Produkt von Zellfusion von Donorzellen mit Neuronen oder Gliazellen sind. In der Analyse von adulten Mäusen wurden FDCP mix abstammende Zellen am häufigsten im Gehirn identifiziert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen für die analysierten Zelllinien, daß sich deren Entwicklungspotential auch bei Exposition in frühembryonalem Milieu nicht leicht modifizieren läßt. Es wurde weiterhin gezeigt, daß die analysierten Zelltypen in Bezug auf ihren Ursprung ein sehr unterschiedliches “Homing“-Verhalten aufweisen.

Ein Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Fragestellung, ob beim Übergang von Proliferation zu Teilungsruhe und Differenzierung irreversible Veränderungen in der Zusammensetzung des präreplikativen Komplexes auftreten. Ein dafür geeignetes System ist die murine C2C12-Zell-Linie, die durch Kultivierung in Hungermedium zu Myotuben differenziert werden können. FACS-Analyse und BrdU-Einbau ergaben, dass in den Muskelzellen keine signifikante DNA-Synthese mehr stattfindet. Die Fluktuation von Replikationsproteinen wurde im Verlauf der terminalen Differenzierung untersucht. Gleiche Mengen an Kern- und Cytoplasma-Extrakten von proliferierenden, konfluenten und sich differenzierenden Zellen wurden durch SDS-PAGE aufgetrennt und im Immunblot mit Antikörpern gegen Replikationsproteine untersucht ORC1, CDC6, MCM6 und Geminin konnten nach 132 h nicht mehr detektiert werden, während ORC2, ORC3, MCM3, CDT1 und CDC45 zwar noch vorhanden waren, jedoch in geringerer Menge als in proliferierenden Zellen. Weiterhin wurde die Menge an Replikationsproteinen in durch Serummangel transient aus dem Zellzyklus ausgetretenen G0-Phase-Zellen und Zellen, die durch Serum reaktiviert wurden, untersucht. Die Replikationsproteine waren in quieszenten C2C12- und 3T3-Zellen gleichermaßen wie in den terminal differenzierten Zellen in verringerter Menge vorhanden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass eine Restimulierung von quieszenten, nicht aber terminal differenzierten Zellen, die erneute Expression von Replikationsproteinen zur Folge hat. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Chromatin-Immunpräzipitations-Experimente (ChIP) mit proliferierenden und terminal differenzierten C2C12-Zellen durchgeführt. Eine preRC-Assemblierungsstelle befindet sich im OBR-Bereich der murinen rRNA-Gene von -2519 bis -2152 (Fragment B). In proliferierenden C2C12-Zellen konnte die Bindung von ORC1-5, CDC6, CDT1, MCM3, MCM6, CDC45 und HP1 an Fragment B nachgewiesen werden. Während der terminalen Differenzierung werden ORC1, CDC6, CDT1 und CDC45 von der preRC-Bindungsstelle entfernt, ORC2-5, MCM3, MCM6 und HP1 bleiben an Fragment B gebunden. Die Bindung von preRC-Proteinen an Fragment B sollte durch Electrophoretic Mobility Shift Assays (EMSAs) in vitro detailliert untersucht werden. Dazu mussten zunächst preRC-Proteine nativ aus dem Kernextrakt proliferierender FM3A-Zellen durch Ionenaustausch- und Gelfiltrations-Chromatographie angereichert werden. Proteine in den Fraktionen B4 bis B12 bilden einen DNA-Protein-Komplex mit Fragment B. Die ATP-Abhängigkeit der Bildung des DNA-Protein-Komplexes wurde nachgewiesen. Die Ausbildung des DNA-Protein-Komplexes erfolgt sequenzspezifisch an Fragment B. Durch Zugabe spezifischer Antikörper gegen ORC3 und CDT1 zur Bindungsreaktion konnte die Ausbildung des DNA-Protein-Komplexes reduziert werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Bildung des DNA-Protein-Komplexes unabhängig von ATP-Hydrolyse erfolgt und dass Diadenosin-Tetraphosphat (Ap4A) die Bindung von preRC-Proteinen an die DNA nicht signifikant stimuliert. Zur Eingrenzung der preRC-Bindungsstelle wurden sowohl am 5´- als auch am 3´-Ende partiell deletierte B-Fragmente eingesetzt. Mit den um 100 bp verkürzten Fragmenten kann der DNA-Protein-Komplex weiterhin gebildet werden. Deletionen von 200 bp entweder vom 5´- oder 3´-Ende verhindern hingegen die Ausbildung des DNA-Protein-Komplexes. Auf einem 119 bp langen Fragment (-2365 bis -2247), das zentral in Fragment B gelegen ist, kann sich der DNA-Protein-Komplex in einer ATP-stimulierten Weise wiederum ausbilden. Die Analyse dieses Bereiches zeigte, dass sich darin zwei auffällige 9 bp-Sequenzen (CTCGGGAGA) befinden, die im Abstand von 63 bp wiederholt werden (-2343 bis -2335; -2280 bis -2272) und die durch die 200 bp-Deletionen ganz oder teilweise eliminiert wurden. Durch ortsgerichtete Mutagenese mittels PCR wurden innerhalb dieser 9 bp-Wiederholungen die Basen C zu A, T zu G und umgekehrt ausgetauscht. In vier sukzessiven Klonierungen wurden je 4 bp ersetzt (S1 bis S4), wobei die erhaltenen Konstrukte als Ausgangs-DNA für die nachfolgende Klonierung dienten. Die Substitutionen S1, S2 und S3 beeinträchtigten die Ausbildung des DNA-Protein-Komplexes im Wesentlichen nicht. Wurden jedoch 8 bp in beiden 9 bp-Wiederholungen ersetzt (S4), war die Ausbildung des DNA-Protein-Komplexes nahezu vollständig inhibiert. S4 hat außerdem eine leichte reduzierte elektrophoretische Mobilität der proteinfreien DNA-Fragmente zur Folge. Vermutlich stellen die 9 bp-Sequenzen jedoch keine Konsensus-Sequenz für die Bindung der preRC-Proteine per se dar, sondern haben vielmehr Effekte auf die Ausbildung spezifischer Sekundär-Strukturen, die wiederum das Binden der preRC-Proteine an diese Region im OBR der murinen rRNA-Gene erlauben könnten. / One task of this work was to analyse the composition of preRCs in proliferating and terminally differentiated cells with the aim to monitor irreversible changes in the nature of preRCs upon transition from proliferation to differentiation. Murine C2C12 cells were used which can be triggered to become terminally differentiated myotubes by exposure to low mitogen medium. Differentiation was assessed by morphological examination. FACS analyses and BrdU incorporation showed the cessation of dna replication. Fluctuation of replication proteins during terminal differentiation was examined. Same amounts of nuclear and cytoplasmatic extracts, respectively, prepared from proliferating, confluent or differentiating C2C12 cells were resolved by SDS-PAGE. Immunoblot analyses were carried out using specific antibodies. After 132 h in DM ORC1, CDC6, MCM6 and geminin could not be detected in terminally differentiated myotubes at all, whereas ORC2, ORC3, MCM3, CDT1 and CDC45 were detectable, albeit at lower levels than in proliferating myoblasts. Levels of replication proteins in serum starved G0 phase cells and cells which were induced to reenter the cell cycle upon serum readdition, were investigated. Levels of replication proteins decreased in quiescent C2C12 and 3T3 cells, although different proteins were reduced to various extends. Reactivation of quiescent cells, but not terminally differentiated myotubes, resulted in reexpression of replication proteins. Chromatin immunoprecipitation analyses (ChIP) were performed comparing chromatin of proliferating cells to that of differentiated cells. A preRC binding site is localized within the OBR of the murine rRNA genes from position -2519 to -2152 (fragment B) upstream of the transcription start site. The in vivo binding of ORC1-5, CDC6, CDT1, MCM3, MCM6, CDC45 and HP1 to fragment B was observed in proliferating C2C12 cells. During terminal differentiation of C2C12 cells ORC1, CDC6, CDT1 and CDC45 are released. ORC2-5, MCM3, MCM6 and HP1, however, remain bound to fragment B. The removal of essential regulatory replication proteins like ORC1, CDC6, CDT1 and CDC45 from chromatin in terminally differentiated cells might contribute to the establishment and maintenance of an “out-of-cycle” state. One aim of the present work was to further characterize the binding of preRC proteins to fragment B in vitro by electrophoretic mobility shift assays (EMSAs). For that purpose, preRC proteins were enriched from nuclear extracts of proliferating FM3A cells by a combination of ion-exchange and gelfiltration chromatography. Purified proteins of fractions B4 to B12 caused a DNA/protein complex with fragment B. Purified preRC proteins bind exclusively to fragment B. When ORC3 and CDT1 antibodies were added to the DNA/protein binding reaction, formation of the DNA/protein complex was reduced, indicating that these proteins may play a role in formation of this DNA/protein complex. It was shown that this DNA/protein complex is formed independently of ATP hydrolysis and that diadenosine tetraphosphate (Ap4A) does not significantly stimulate binding of preRC proteins to DNA. In order to further narrow down the preRC binding site, EMSAs were performed using fragments shortened by 100 bp and 200 bp, respectively, at the 3´- or 5´-end. The DNA/protein complex is formed with both fragments truncated 100 bp at each end. However, if 200 bp are deleted, no shifts were observed, neither with fragment 5.200 nor with 3.200. On a central 119 bp fragment (-2365 to -2247) the DNA/protein complex is formed in an ATP-stimulated manner. Two conspicuous 9 bp sequence elements, CTCGGGAGA, were observed which are repeated at intervals of 63 bp (-2343 to -2335; -2280 to -2272). The sequence of these elements was altered by introducing C to A, T to G and vice versa substitutions. 4 successive substitutions of 4 bp each were constructed and the constructs were used as template DNA for subsequent mutageneses. Substitutions S1, S2 or S3 did not affect formation of the DNA/protein complex. If, however, 8 bp out of 9 bp in both sequence elements were substituted (S4), formation of the DNA/protein complex is abrogated. A naked S4 DNA fragment migrates distinctly slower than WT and S1-S3 suggesting that the secondary structure of the DNA is altered as a result of nucleotide substitutions. Probably, the 9 bp repeats do not constitute a consensus binding site per se, but rather have effects on formation of specific secondary DNA structures which in turn allow binding of preRC proteins to this region of murine rDNA.

B lymphocyte induced maturation protein-1 (Blimp-1) und X-box-binding protein-1” (XBP-1) sind als Transkriptionsfaktoren unverzichtbar für die terminale Differenzierung von B-Lymphozyten zu Immunglobulin (Ig)-sezernierenden Plasmazellen. Ebenso stellen die unfolded protein response (UPR) und das Spleißen von XBP-1, beides ausgelöst durch erhöhte Ig-Produktion, entscheidende Schritte auf dem Weg zur Plasmazellentstehung dar. Allerdings ist das Molekül/ sind die Moleküle nach wie vor unbekannt, die diesen beiden Ereignissen in der Signalkaskade vorgeschaltet sind. Da die ektope Expression von Blimp-1 in B-Zellen hinreicht, diese zu Plasmazellen zu differenzieren, erscheint es plausibel, dass Blimp-1 das Molekül sein könnte, das die Auslösung einer UPR und das Spleißen von XBP-1 steuert. Dieser Möglichkeit wurde durch ektope Expression von Blimp-1 in der Maus-B-Zell-Lymphomlinie WEHI 231 und in primären B-Zellen aus der Milz von Mäusen nachgegangen. Die ektope Expression von Blimp-1 führte in beiden Zelltypen zur Erhöhung der Ig Produktion, zum Spleißen von XBP-1 und zur Sekretion von Immunglobulinen. Interessanterweise war der N-terminale Anteil von Blimp-1, bestehend aus den Aminosäuren 1-751, hinreichend, um diese Effekte auszulösen, während der C-Terminus, der die Aminosäuren 465-856 umfaßte, keinen Effekt hatte. Darüberhinaus, wurde die Expression von BIP, dessen Gen ein UPR-Zielgen ist, durch ektope Expression von Blimp-1 bzw. dessen N-Terminus in primären B-Zellen erhöht. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass Blimp-1, speziell dessen N-terminale Domäne, hinreichend ist, um eine UPR und die Prozessierung von XBP-1 auszulösen, was zur Ig-Sekretion von B-Zellen führt. / B lymphocyte induced maturation protein-1 (Blimp-1) and X-box-binding protein-1 (XBP-1) are indispensible transcription factors required for B lymphocyte terminal differentiation into Ig secreting plasma cells. Occurrence of an unfolded protein response (UPR) and XBP-1 splicing, due to elevated Ig levels, are critical events during plasma cell generation. However, the upstream molecule sufficient to trigger these events remain elusive. Because ectopic expression of Blimp-1 in B cells is sufficient to generate plasma cells, it is plausible that Blimp-1 might be the upstream molecule, sufficient for the induction of UPR and XBP-1 splicing. The results from the current study indicate that ectopic expression of Blimp-1 or its N-terminal domain, in B cells, is sufficient to induce XBP-1 splicing, UPR and Ig (immunoglobulin) secretion. Further more Blimp-1 is able to directly repress the antiapoptotic gene A1, by binding to specific DNA elements in A1 promoter. This repression of A1 by Blimp-1 seems to be an important prerequisite for Plasma cell differentiation because ectopic expression of A1 in primary B cells resulted in reduced immunoglobulin secretion.

Krebserkrankungen zeichnen sich häufig durch Störungen zellulärer Differenzierungsprozesse aus. So weisen Rhabdomyosarkome, die aus Muskelvorläuferzellen hervorgehen, Differenzierungsdefekte auf, die zur unkontrollierten Proliferation der Tumorzellen führen. Bislang ist ungeklärt, ob die Differenzierungsdefekte auf der verstärkten Expression von Inhibitoren, der defekten Funktion von Aktivatoren oder einer Kombination von beidem beruht. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass im Unterschied zu normalen Muskelzellen RMS-Zellen verstärkt DeltaNp73, einen Pan-Inhibitor der p53-Tumorsuppressorfamilie, exprimieren. Die experimentelle Überexpression von DeltaNp73 in normalen Myoblasten blockierte die Muskeldifferenzierung und förderte in Kombination mit klassischen RMS-Onkogenen wie IGF2 oder PAX3/FKHR die maligne Transformation. Umgekehrt führte die Hemmung von DeltaNp73 durch RNAi zur Reduktion der Tumorigenität von RMS-Tumorzellen. Da DeltaNp73 als dominant-negativer Inhibitor der p53-Familie wirkt, lies die Hemmung von Differenzierungsprozessen durch DeltaNp73 vermuten, dass die p53-Familienmitglieder (p53, p63, und p73) an der Regulation der Muskeldifferenzierung beteiligt sind. Tatsächlich konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die drei p53-Familienmitglieder bei der Induktion später Differenzierungsstadien kooperieren, indem sie die Aktivität des Retinoblastoma-Proteins RB regulieren. Die Funktion von RB ist bekanntermassen sowohl für den permanenten Zellzyklusarrest als auch für die Aktivierung Muskel-spezifischer Gene notwendig. Während p53 die Proteinspiegel von RB reguliert, kontrollieren p63 und p73 den Aktivierungsgrad von RB, indem sie dessen Phoshphorylierungszustand über den Zyklin-abhängigen Kinaseinhibitor p57KIP2 modifizieren. Eine Hemmung dieser Funktionen blockiert das Differenzierungsprogramm und fördert die Tumorentstehung. Die Aktivierung zellulärer Differenzierungsprozesse stellt somit einen entscheidenden Bestandteil der Tumorsuppressoraktivität der p53-Familie dar und liefert eine Erklärung für die Häufigkeit von Mutationen im p53-Signalweg bei Rhabdomyosarkom-Patienten. / Disruption of differentiation pathways is one of the hallmarks of cancer. In rhabdomyosarcoma (RMS), a human tumor arising from myogenic precursors, the muscle differentiation program is disabled resulting in uncontrolled proliferation. Whether the differentiation block is due to overexpression of inhibitors, deficient function of activators, or both remained unknown. This study shows that RMS cells but not non-neoplastic muscle cells overexpress DeltaNp73, a pan-inhibitor of the p53 family of tumor suppressor genes. Experimental overexpression of DeltaNp73 in normal muscle precursor cells inhibited myogenic differentiation and promoted malignant transformation in cooperation with the RMS oncogenes IGF2 and PAX3/FKHR. Vice versa, RNAi knockdown of DeltaNp73 reduced the tumorigenicity of established RMS tumor cells. As DeltaNp73 is a dominant-negative inhibitor of the p53 family, inhibition of differentiation by DeltaNp73 suggests that the p53 family members (p53, p63 and p73) are critically involved in myogenic differentiation control. Indeed, this study demonstrates that all three p53 family members cooperate to activate the late stages of the differentiation process by regulating the activity of the retinoblastoma protein RB. The function of RB is known to be required for both the permanent cell cycle exit and the activation of muscle-specific genes. Whereas p53 regulates RB protein levels, p63 and p73 control the activation state of RB by modifying its phosphorylation via the cyclin-dependent kinase inhibitor p57KIP2. Ablation of these p53 family functions blocks the differentiation program and promotes malignant transformation. Induction of cellular differentiation therefore contributes to the tumor suppressor activities of the p53 family and provides an explanation for the high frequency of p53 pathway alterations in rhabdomyosarcoma patients.

Zahlreiche Studien schreiben Histondeacetylase-Inhibitoren einen Anti-Tumor-Effekt auf verschiedene hämatologische und solide Tumoren durch Apoptoseinduktion, vermehrte Zelldifferenzierung und verminderte Zellproliferation zu. Als Mechanismus wird eine Einflussnahme auf die Genexpression durch Modulation von Histondeacetylasen und deren Auswirkung auf den Acetylierungsstatus von Histonen und Nicht-Histon-Proteinen angenommen. Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen des Histondeacetylase-Inhibitors LBH589 auf Proliferation und Differenzierung von Kolonkarzinomzellen und dessen Metastasenzellen in Zellkulturexperimenten zu untersuchen. Die Untersuchungen wurden an Zellen der Zellkulturlinien SW480 (kolorektales Karzinom) und SW620 (Metastase des kolorektalen Karzinoms) durchgeführt. Für die Zellproliferation wurden die Zellen nach entsprechender Vorbehandlung in einer Neubauer-Zellzählkammer ausgezählt. Zur Feststellung des Verlaufs der Zelldifferenzierung diente die Bestimmung der Intestinalen Alkalischen Phosphatase als Marker. Unter LBH589-Inkubation kam es zu einer Hemmung der Zellproliferation sowohl bei SW480-Zellen als auch bei SW620-Zellen. Allerdings ergab sich kein signifikanter Unterschied bei der Auswertung der Kontrolllösungen mit jeweils äquimolaren Mengen DMSO. Daher konnte dem HDAC-Inhibitor LBH589 im Rahmen dieser Arbeit kein sicherer Effekt auf die Inhibition der Zellproliferation zugeschrieben werden. LBH589 hatte keinen nachweisbaren relevanten Einfluss auf die Differenzierung von Zellen der beiden Zelllinien. Allenfalls konnte ein leicht hemmender Einfluss auf die Zelldifferenzierung gezeigt werden, der jedoch nicht signifikant ausfiel. Weitere Untersuchungen sind anzustreben, um den Verlauf der Zellproliferation und weiterer Differenzierungsmarker unter dem Einfluss von LBH589 sowie äquimolaren Mengen DMSO detaillierter zu charakterisieren. Zukünftige Arbeiten zu Histondeacetylase-Inhibitoren und deren Effekt auf Zellen des kolorektalen Karzinoms, sowie Histondeacetylase-Inhibitoren in der Kombinationstherapie von kolorektalen Tumoren sind sicher sinnvoll. / A lot of studies have shown an anti-tumor-effect of histone deacetylase inhibitors on various hematological and solid tumors by induction of apoptosis, induction of differentiation an inhibition of proliferation. These effects are supposed to be caused by influencing gene expression through modulation of histone deacetylases and the acetylating status of histones and non-histone-proteins. In this study the influence of the histone deacetylase inhibitor LBH589 on proliferation and differentiation in colon cancer cells and its metastasis was analysed. The studies were done with cells from cell culture lines SW480 (colorectal carcinoma) and SW620 (metatasis of the colorectal carcinoma). For proliferation the cells were counted in a Neubauer-chamber and for differentiation the intestinal alkaline phosphatase was determined. Under the influence of LBH589 an inhibition of proliferation was shown in both cell lines. But there was no significant difference to the results shown by the control substance of equimolar amounts of DMSO. So there could no certain effect be related to LBH589 on cell inhibition. LBH589 has shown no influence on differentiation in both cell lines, at the most there was a light non-significant inhibition on differentiation. Further studies are needed to characterize the influence of LBH589 and equimolar amounts of DMSO on proliferation and other markers of differentiation.

Formation oft the central nervous system (CNS) from multipotent neuronal stem cells (NSCs) requires a tightly controlled, step-wise activation of the neuronal gene expression program. Expression of neuronal genes at the transition from neural stem cell to mature neuron (i. e. neuronal cell differentiation) is controlled by the Repressor element 1 (RE1) silencing transcription factor (REST) complex. As a master transcriptional regulator, the REST-complex specifically inhibits expression of neuronal genes in non-neuronal tissues and neuronal progenitor cells. Differentiation of NSCs to mature neurons requires the activation of genes controlled by the REST-complex, but how abrogation of REST-complex mediated repression is achieved during neurogenesis is only poorly understood. MicroRNAs (miRNAs) are a class of small regulatory RNAs that posttranscriptionally control target gene expression. Binding of miRNAs to target sequences in the 3’UTR of mRNAs, leads either to degradation or translational inhibition of the mRNA. Distinct neuronal miRNAs (e.g. miR-124) were shown to modulate REST-complex activity by silencing expression of REST-complex components. Interestingly, these miRNAs are also under transcriptional control of the REST-complex and inactivation of the REST-complex precedes their expression. Hence, additional factors are required for derepression of neuronal genes at the onset of neurogenesis. In this study function of the miR-26 family during neurogenesis of the zebrafish (Danio rerio) was analyzed. Computational target prediction revealed a number of REST-complex components as putative miR-26 targets. One of these predicted target genes, the C-terminal domain small phosphatase 2 (Ctdsp2) was validated as an in vivo target for miR-26b. Ctdsps are important cofactors of REST and suppress neuronal gene expression by dephosphorylating the C-terminal domain (CTD) of RNA polymerase II (Pol II). Interestingly, miR-26b is encoded in an intron of the ctdsp2 primary transcript and is cotranscribed together with its host gene. Hence, miR-26b modulates expression of its host gene ctdsp2 in an intrinsic negative autoregulatory loop. This negative autoregulatory loop is inactive in NSCs because miR-26b biogenesis is inhibited at the precursor level. Generation of mature miR-26b is activated during neurogenesis, where it suppresses Ctdsp2 protein expression and is required for neuronal cell differentiation in vivo. Strikingly, miR-26b is expressed prior to miR-124 during neuronal cell differentiation. Thus, it is reasonable to speculate about a function of miR-26b in early events of neurogenesis. In line with this assumption, knockdown of miR-26b in zebrafish embryos results in downregulation of REST-complex controlled neuronal genes and a block in neuronal cell differentiation, most likely due to aberrant regulation of Ctdsp2 expression. This is evident by reduced numbers of secondary motor neurons compared to control siblings. In contrast, motor neuron progenitor cells and glia cells were not affected by depletion of miR-26b.This study identifies the ctdsp2/miR-26b autoregulatory loop as the first experimentally validated interaction between an intronic miRNA and its host gene transcript. Silencing of ctdsp2 by miR-26b in neurons is possible because biogenesis of the ctdsp2 mRNA and mature mir-26b is uncoupled at the posttranscriptional level. Furthermore the obtained data indicate a cell type specific role for miR-26b in vertebrate neurogenesis and CNS development. / Die Entwicklung des Zentralen Nervensystems (ZNS) aus multipotenten neuronalen Stammzellen erfordert eine stufenweise und genau regulierte Aktivierung der neuronalen Genexpression. Bei der Differenzierung neuronaler Stammzellen zu Neuronen wird die Expression neuronaler Gene durch den sogenannten „Repressor element 1 (RE1) silencing transcription factor (REST)”-Komplex gesteuert. Der REST-Komplex unterdrückt spezifisch in proliferierenden neuronalen Vorläuferzellen die Expression neuronaler Gene. Während der neuronalen Zelldifferenzierung wird die Expression dieser Gene jedoch benötigt. Wie die Inaktivierung neuronaler Gene durch den REST-Komplex während des Prozesses der Neurogenese aufgehoben wird ist bislang nicht genau bekannt. MicroRNAs (miRNAs) sind kleine regulatorische RNAs, die die Expression ihrer Zielgene auf posttranskriptioneller Ebene regulieren. Dazu binden miRNAs an Zielsequenzen in 3’UTRs von mRNAs, was zu einer Inhibition der Translation oder Abbau der mRNA führt. Auch Komponenten des REST-Komplexes stehen unter Kontrolle bestimmter neuronaler miRNAs (z.B. miR-124). Erstaunlicherweise stehen diese miRNAs selber wiederum unter der transkriptionellen Inhibition des REST-Komplexes und können daher nicht für die Inaktivierung des REST-Komplexes zu Beginn der Neurogenese verantwortlich sein. Übereinstimmend damit konnte beobachtet werden, dass der REST-Komplex aus differenzierenden Zellen entfernt wird, bevor die genannten neuronalen miRNAs exprimiert werden. Diese Umstände legen die Existenz weiterer, bis jetzt unbekannter Faktoren nahe, die die Expression des REST-Komplexes selber inhibieren und so die Neurogenese erlauben Im Rahmen dieser Dissertation wurde die Funktion der miR-26 Familie während der Neurogenese des Zebrafisches (Danio rerio) untersucht. Eine bioinformatische Zielgenvorhersage für die miR-26 Familie ergab, dass unter anderem zahlreiche bekannte Komponenten des REST-Komplexes unter den Kandidatengenen sind. Für eines dieser vorhergesagten Zielgene, die sogenannte „C-terminal domain small phosphatase 2 (Ctdsp2)” wurde daraufhin gezeigt, dass seine Expression in der Tat durch die miR-26b inhibiert wird. Ctdsps sind wichtige Kofaktoren des REST-Komplexes und unterdrücken die Expression neuronaler Gene, indem die die C-terminale Domäne (CTD) der RNA Polymerase II dephosphorylieren und diese dadurch inaktivieren. In diesem Zusammenhang von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, dass die miR-26b in einem Intron des ctdsp2 Gens kodiert ist und mit ctdsp2 zusammen transkribiert wird. Folglich beeinflusst die miR-26b die Expression ihres eigenen „Host genes“ in einer Art autoregulativer Rückkopplungsschleife. Die beschriebene negative Regulation ist in neuronalen Stammzellen nicht aktiv, da dort die Biogenese der miR-26b auf Vorläuferebene angehalten wird. Reife miR-26b wird erst während der Neurogenese produziert, wo sie daraufhin die Expression von Ctdsp2 Protein verhindert. Während der neuronalen Zelldifferenzierung wird die miR-26b deutlich früher exprimiert als zum Beispiel die miR-124. Daher liegt es nahe eine Funktion der miR-26b während früher Prozesse in der Neurogenese anzunehmen. In Übereinstimmung mit dieser Annahme führt ein „Knockdown“ der miR-26b zu einer schwächeren Expression von neuronalen Genen, die unter der Kontrolle des REST-Komplex stehen. Weiterhin führt ein reduziertes Maß an miR-26b zu fehlerhafter oder gänzlich ausbleibender neuronaler Zelldifferenzierung. Dies konnte anhand einer verringerten Anzahl differenzierter spinaler Motorneuronen aufgezeigt werden. Die Vorläufer dieser Motorneuronen und Gliazellen waren hingegen vom miR-26b-„Knockdown“ nicht beeinflusst. Die hier präsentierte Studie zeigt erstmals in experimenteller Weise das Vorhandensein einer direkten Interaktion zwischen einer intronischen miRNA und ihrem eigenen Primärtranskript. Die negative Regulation der Ctdsp2 Expression in Neuronen wird erst dadurch möglich, dass die Biogenese der ctdsp2 mRNA und der reifen miR-26b durch einen posttranskriptionellen Mechanismus voneinander getrennt werden. Weiterhin legen die Daten aus dieser Studie nahe, dass die miR-26b in der Tat eine spezifische Funktion in der Entwicklung des ZNS von Vertebraten hat.

Pluripotency describes the ability of stem cells to form every cell type of the body.. Pluripotent stem cells are e.g. embryonic stem cells (ESCs), but also the so called induced pluripotent stem cells (IPS cells), that are generated by reprogramming differentiated somatic cells into a pluripotent state. Furthermore, it has been shown that spermatogonia (SG) derived from adult testes of mouse or human are pluripotent. Because of their ability to differentiate into every somatic cell type, pluripotent stem cells have a unique status in research and regenerative medicine. For the latter, they offer a valuable opportunity to replace destroyed tissues or organs. For basic research, stem cells represent a useful system to study differentiation or developmental processes that are difficult to access in the physiological situation e.g. during embryogenesis. Both applications, however, require methods that allow efficient and directed differentiation of stem cells into defined specialized cell types. This study first aims to investigate the differentiation potential of SG derived from the teleost fish medaka (Oryzias latipes). My results demonstrate that medaka SG are able to form different somatic cell types, namely adipocytes, melanocytes, osteoblasts, and neurons. This indicates that medake SG have retained a broad differentiation potential suggesting that pluripotency is not restricted to mouse and human SG but might be conserved among vertebrates. Next, I wanted to establish a differentiation method that is solely based on ectopic expression of genes known to be essential for the formation of certain somatic cell types – so called master regulators (MRs). My findings show that ectopic expression of the melanocyte-specific transcription factor mitf-m that has previously been shown to induce differentiation of medaka ESCs into pigment cells resulted in the formation of the same cell type in medaka SG. This approach could be used to generate other somatic cell types. Thus, ectopic expression of the MRs cbfa1 and mash1 in MF-SG was sufficient to induce differentiation into osteoblasts and neurons, respectively. Interestingly, these differentiation processes included the activation of genes that are expressed earlier during embryogenesis than the differentiation-inducing MR. Furthermore, my findings show that the approach of MR-induced differentiation can be transferred to mammalian stem cell systems. Ectopic expression of the neural transcription factor ngn2 was sufficient to induce efficient and rapid differentiation of neurons in mouse ESCs. This differentiation process also included the induction of genes that in vivo are activated at earlier stages that ngn2. By generating a transgenic cell line allowing induction of ectopic ngn2 expression, it was possible to obtain a relatively pure culture of functional neurons. Ngn2-induced differentiation did not require any additional signals and occurred even under pluripotency promoting conditions. Moreover, ectopic expression of ngn2 did also induce the formation of cells with neuronal morphology in IPS cells indicating that MR-induced differentiation is operative in different stem cell types. Furthermore, protein transduction of Ngn2 into mouse ESCs also resulted in a neuronal differentiation process up to the appearance of neural precursor cells. Last, my results show that MR-induced differentiation can also be used to generate other cell types than neurons from mouse ESCs. Myoblasts and macrophage-like cells were generated by ectopic expression of the MRs myoD and cebpa, respectively. Using transgenic cell lines enabling induction of MR expression it was possible to obtain mixed cultures with two different differentiation processes occurring in parallel. Altogether this study shows that ectopic expression of single genes is sufficient to induce directed differentiation of stem cells into defined cell types. The feasibility of this approach was demonstrated for different MRs and consequently different somatic cell types. Furthermore, MR induced differentiation was operative in different stem cell types from fish and mouse. Thus, one can conclude that certain genes are able to define cell fates in in vitro stem cell systems and that this cell fate defining potential appears to be a conserved feature in vertebrates. These findings therefore provide new insights in the role of MRs in cell commitment and differentiation processes. Furthermore, this study presents a new method to induce directed differentiation of stem cells that offers several advantages regarding efficiency, rapidness, and reproducibility. MR-induced differentiation therefore represents a promising tool for both stem cell research and regenerative medicine. / Pluripotenz bezeichnet die Fähigkeit einer Stammzelle, jede Zelle des Körpers zu bilden. Zu den pluripotenten Stammzellen gehören embryonale Stammzellen (ESZ), aber auch so genannte induzierte pluripotente Stammzellen (IPS Zellen), die durch Rückprogrammierung ausdifferenzierter Körperzellen in einen pluripotenten Status gewonnen werden. Außerdem wurde gezeigt, dass adulte Spermatogonien (SG) in Maus und Mensch pluripotent sind. Pluripotente Stammzellen sind von großer Wichtigkeit für Forschung und regenerative Medizin. Für letztere bieten diese Zellen aufgrund ihrer Fähigkeit, jede Körperzellen zu bilden, eine vielversprechende Möglichkeit, zerstörte Gewebe oder Organe zu ersetzen. In der Forschung stellen sie ein nützliches System dar, um Entwicklungs- und Differenzierungsprozesse zu untersuchen, die in der physiologischen Situation z.B. der Embryonalentwicklung – schwer zugänglich sind. Eine wichtige Grundlage für diese Anwendungen sind jedoch Methoden, die die effiziente und gerichtete Differenzierung von Stammzellen in einen bestimmten Zelltyp erlauben. In dieser Arbeit wird zunächst das Differenzierungspotential von SG der Fischspezies Medaka (Oryzias latipes) untersucht, um festzustellen, ob Pluripotenz von SG, die bisher nur in Maus und Mensch gezeigt wurde, auch in anderen Wirbeltieren außerhalb der Säuger erhalten ist. Meine Ergebnisse zeigen, dass Medaka-SG fähig sind verschiedene somatische Zelltypen zu bilden. Das zweite Ziel dieser Studie ist die Entwicklung einer Differenzierungsmethode, die nur auf der Expression einzelner so genannter Masterregulatoren (MR) beruht – Gene, die als essentiell für die Entwicklung bestimmter Zelltypen bekannt sind. Meine Ergebnisse zeigen, dass der Pigmentzell-spezifische Transkriptionsfaktor Mitf-M, von dem gezeigt wurde, dass er die Differenzierung von Medaka-ESZ in Pigmentzellen induzieren kann, die Bildung desselben Zelltyps in Medaka-SG induziert. Dieser Ansatz ermöglichte auch die Bildung anderer somatischer Zelltypen. So führte Überexpression der MR cbfa1 und mash1 in Medaka SG zur Differenzierung in Osteoblasten bzw. Neuronen. Interessanterweise wurde bei diesen Differenzierungsprozessen die Aktivierung von Genen beobachtet, die während der Embryonalentwicklung vor dem Differenzierung-auslösenden MR aktiviert werden. Weiterhin zeigen meine Ergebnisse, dass der Ansatz einer gerichteten Differenzierung, ausgelöst durch einzelne MR, auch auf Säuger-Stammzellen übertragen werden kann. So wurde durch Überexpression des neuronalen Genes ngn2 in murinen ESZ die effiziente und schnelle Bildung von Nervenzellen induziert, wobei auch hier die Aktivierung von Genen beobachtet wurde, deren Expression in der Embryogenese der von ngn2 vorangeht. Die Herstellung einer transgenen Zelllinie, in der die Überexpression von ngn2 aktiviert werden kann, erlaubte die Entstehung einer fast reinen Kultur funktionaler Neuronen. Der durch ngn2 ausgelöste Differenzierungsprozess war unabhängig von zusätzlichen Faktoren und lief sogar unter Bedingungen ab, die normalerweise den pluripotenten Zustand unterstützen. Außerdem führte Überexpression von ngn2 auch in IPS Zellen zur Bildung von Zellen mit neuronalem Phenotyp. Weiterhin konnte auch durch Transduktion des Ngn2-Proteins in murine ESZ neuronale Differenzierung ausgelöst werden, und zwar die Bildung neuronaler Vorläuferzellen. Zuletzt wird bewiesen, dass gerichtete Differenzierung von murinen ESZ durch einzelne MR Gene neben neuronalen Zelltypen auch die Bildung anderer somatischer Zellen erlaubt: Überexpression der Gene myoD oder cebpa induzierte die Differenzierung in Muskelzellen bzw. Macrophagen-ähnliche Zellen. Unter Verwendung transgener Zelllinien, die die Aktivierung jeweils eines MRs erlauben, war es möglich, gemischte Kulturen zu erhalten, in denen zwei verschiedene Differenzierungsprozesse parallel abliefen. Diese Studie zeigt, dass die Überexpression einzelner Gene ausreichend ist, um gerichtete Differenzierungsprozesse in einen bestimmten Zelltyp auszulösen. Die erfolgreiche Durchführung dieses Ansatzes wird nicht nur mit verschiedenen Genen und somit verschiedenen resultierenden Zelltypen nachgewiesen, sondern auch in verschiedenen Stammzelltypen aus Fisch und Maus. Dies erlaubt die Schlussfolgerung, dass bestimmte Gene in vitro das Schicksal von Stammzellen festlegen können und dass diese Fähigkeit eine konservierte Eigenschaft in Wirbeltieren zu sein scheint. Somit präsentiert diese Arbeit neuen Erkenntnisse über die Rolle von MR bei der Festlegung von Zellidentitäten und in Differenzierungsprozessen. Weiterhin wird eine neue Methode zur Induktion gerichteter Differenzierung in Stammzellen aufgezeigt, die mehrere Vorteile in Bezug auf Effizienz, Geschwindigkeit und Reproduzierbarkeit hat. Auslösung von Differenzierung durch MR Gene bietet somit einen neuen vielversprechenden Ansatz mit potentieller Anwendung sowohl in Stammzellforschung, als auch in regenerativer Medizin.

Human adult cartilage is an aneural and avascular type of connective tissue, which consequently reflects reduced growth and repair rates. The main cell type of cartilage are chondrocytes, previously derived from human mesenchymal stem cells (hMSCs). They are responsible for the production and maintainance of the cartilaginous extracellular matrix (ECM), which consists mainly of collagen and proteoglycans. Signal transmission to or from chondrocytes, generally occurs via interaction with signalling factors connected to the cartilaginous ECM. In this context, proteins of the CCN family were identified as important matricellular and multifunctional regulators with high significance during skeletal development and fracture repair. In this thesis, main focus lies on WISP1/CCN4, which is known as a general survival factor in a variety of cell types and seems to be crucial during lineage progression of hMSCs into chondrocytes. We intend to counter the lack of knowledge about the general importance of WISP1-signalling within the musculoskeletal system and especially regarding cell death and survival by a variety of molecular and cell biology methods. First, we established a successful down-regulation of endogenous WISP1 transcripts within different cell types of the human musculoskeletal system through gene-silencing. Interestingly, WISP1 seems to be crucial to the survival of all examined cell lines and primary hMSCs, since a loss of WISP1 resulted in cell death. Bioinformatical analyses of subsequent performed microarrays (WISP1 down-regulated vs. control samples) confirmed this observation in primary hMSCs and the chondrocyte cell line Tc28a2. Distinct clusters of regulated genes, closely related to apoptosis induction, could be identified. In this context, TRAIL induced apoptosis as well as p53 mediated cell death seem to play a crucial role during the absence of WISP1 in hMSCs. By contrast, microarray analysis of WISP1 down-regulated chondrocytes indicated rather apoptosis induction via MAPK-signalling. Despite apoptosis relevant gene regulations, microarray analyses also identified clusters of differentially expressed genes of other important cellular activities, e.g. a huge cluster of interferon-inducible genes in hMSCs or gene regulations affecting cartilage homeostasis in chondrocytes. Results of this thesis emphasize the importance of regulatory mechanisms that influence cell survival of primary hMSCs and chondrocytes in the enforced absence of WISP1. Moreover, findings intensified the assumed importance for WISP1-signalling in cartilage homeostasis. Thus, this thesis generated an essential fundament for further examinations to investigate the role of WISP1-signalling in cartilage homeostasis and cell death. / Humaner adulter Knorpel besitzt weder Blutgefäße noch Nerven, weswegen diese Knorpelart im Vergleich zu anderen Gewebetypen ein verringertes Wachstum und Regenerierung wiederspiegelt. Den Hauptteil der Zellen im adulten Knorpel stellen die Chondrozyten (Knorpelzellen)dar, welche sich zuvor aus humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSCs) entwickelt haben. Sie sind verantwortlich für die Bildung und Aufrechterhaltung der extrazellulären Matrix (ECM) des Knorpelgewebes, welche hauptsächlich aus Kollagen und Proteoglykanen besteht. Signale, die durch Chondrozyten erzeugt oder weitergeleitet werden, finden in der Regel durch Interaktion mit Molekülen der im Knorpel liegenden ECM statt. Mitglieder der CCN-Familie gelten hierbei als bedeutende extrazelluläre Matrixproteine, die bei verschiedenen regulatorischen Prozessen während der Skelettentwicklung und der Frakturheilung eine Rolle spielen. In dieser Doktorarbeit liegt das Hauptaugenmerk auf dem CCN Protein WISP1/CCN4. Dieses Protein gilt bereits in verschiedenen Zellen als ein notwendiger Überlebensfaktor und scheint desWeiteren eine regulatorische Funktion während der Differenzierung von hMSCs in Chondrozyten auszuüben. Die generelle Bedeutung von WISP1 für das muskuloskelettale System ist bislang jedoch weitgehend ungeklärt und soll während dieser Doktorarbeit mittels einer Reihe von molekular- und zellbiologischer Methoden genauer untersucht werden. Hierfür wurde zu Beginn eine erfolgreiche Herunterregulierung endogen hergestellter WISP1 Transkripte mittels Genexpressionshemmung (gene-silencing) in verschiedenen muskuloskelettalen Zellen erzielt. Interessanterweise scheint WISP1 eine bedeutende Rolle für das Überleben dieser Zellen zu spielen, da ein Verlust bei allen untersuchten Zelllinien und primären hMSCs zum Zelltod führte. Um zu Grunde liegende Mechanismen genauer zu untersuchen, wurden daraufhin Microarray Analysen von hMSCs und Tc28a2 Chondrocyten durchgeführt (jeweils WISP1 herunterreguliert vs Kontrollzellen). In diesem Zusammenhang identifizierten bioinformatische Analysen differentielle Expressionen verschiedener apoptoseresponsiver Gene. So scheint eine Apoptoseinduktion über TRAIL und/oder p53 in hMSCs stattzufinden, wohingegen eine starke Regulation des MAPK-Signalweges in Chondrozyten detektiert wurde. Neben diesen Genregulationen, deckten die Analysen ebenso Gengruppen auf, die bei anderen wichtigen zellulären Abläufen eine Rolle spielen. Hier sind in WISP1 herunterregulierten hMSCs u.a. viele differenziell exprimierte Gene zu nennen, die durch Interferone induzierbar sind. In Chondrozyten dagegen scheint eine verringerte WISP1 Expression Genexpressionen zu beeinflussen, welche die Knorpelhomeostase regulieren. Die Ergebnisse, die während dieser Doktorarbeit erzielt wurden, verdeutlichen die Wichtigkeit von WISP1 für das Überleben von primären hMSCs und Chondrozyten. Darüberhinaus verstärken die bioinformatischen Analysen die Annahme, das WISP1 regulatorische Funktionen für die Knorpelhomeostase ausübt. Somit bietet diese Doktorarbeit ein essentielles Fundament, um die Rolle von WISP1 bei der Aufrechterhaltung der Knorpelhomeostase und des Zelltodes weiter zu erforschen.

Imprinted genes play important roles in brain development. As the neural developmental capabilities of human parthenogenetic embryonic stem cells (hpESCs) with only a maternal genome were not assessed in great detail, hence here the potential of hpESCs to differentiate into various neural subtypes was determined. In addition DNA methylation and expression of imprinted genes upon neural differentiation was also investigated. The results demonstrated that hpESC-derived neural stem cells (hpNSCs) showed expression of NSC markers Sox1, Nestin, Pax6, and Musashi1 (MS1), the silencing of pluripotency genes (Oct4, Nanog) and the absence of activation of neural crest (Snai2, FoxD3) and mesodermal (Acta1) markers. Moreover, confocal images of hpNSC cultures exhibited ubiquitous expression of NSC markers Nestin, Sox1, Sox2 and Vimentin. Differentiating hpNSCs for 28 days generated neural subtypes with neural cell type-specific morphology and expression of neuronal and glial markers, including Tuj1, NeuN, Map2, GFAP, O4, Tau, Synapsin1 and GABA. hpNSCs also responded to region-specific differentiation signals and differentiated into regional phenotypes such as midbrain dopaminergic- and motoneuron-type cells. hpESC-derived neurons showed typical neuronal Na+/K+ currents in voltage clamp mode, elicited multiple action potentials with a maximum frequency of 30 Hz. Cell depicted a typical neuron-like current pattern that responded to selective pharmacological blockers of sodium (tetrodotoxin) and potassium (tetraethylammonium) channels. Furthermore, in hpESCs and hpNSCs the majority of CpGs of the differentially methylated regions (DMRs) KvDMR1 were methylated whereas DMR1 (H19/Igf2 locus) showed partial or complete absence of CpG methylation, which is consistent with a parthenogenetic (PG) origin. Upon differentiation parent-of-origin-specific gene expression was maintained in hpESCs and hpNSCs as demonstrated by imprinted gene expression analyses. Together this shows that despite the lack of a paternal genome, hpNSCs are proficient in differentiating into glial- and neuron-type cells, which exhibit electrical activity similar to newly formed neurons. Moreover, maternal-specific gene expression and imprinting-specific DNA-methylation are largely maintained upon neural differentiation. hpESCs are a means to generate histocompatible and disease allele-free ESCs. Additionally, hpESCs are a unique model to study the influence of imprinting on neurogenesis. / Imprinted Gene spielen eine wichtige Rolle bei der Gehirnentwicklung. Da das neurale Entwicklungspotenzial von hpESCs bisher noch nicht ausführlich untersucht wurde, war das Ziel dieser Arbeit das Differenzierungspotenzial von hpESCs zu verschiedenen neuralen Subtypen zu untersuchen. Außerdem wurden die DNA-Methylierung und Expression imprinted Gene in hpESCs während der neuralen Differenzierung analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass von hpESCs abgeleitete neurale Stammzellen (hpNSCs) die NSC-Marker Sox1, Nestin, Pax6 und Musashi1 (MS1) exprimierten, Pluripotenzmarker-Gene (Oct4, Nanog) abschalteten und keine Aktivierung von Markern der Neuralleistenzellen (Snai2, FoxD3) sowie dem mesodermalen Marker Acta1 stattfand. Immunfärbungen zeigten weiterhin, dass aus hpESCs abgeleitete Stammzellen die NSC-Marker Nestin, Sox1, Sox2 und Vimentin auf Proteinebene exprimierten. Durch gerichtete neurale Differenzierung für 28 Tage konnten aus hpESCs neurale Subtypen abgeleitet werden, die eine neurale Zelltyp-spezifische Morphologie aufweisen und positiv für neuronale und gliale Marker wie Tuj1, NeuN, Map2, GFAP, O4, Tau, Synapsin1 und GABA sind. Um aus hpNSCs dopaminerge und Motoneuronen abzuleiten, wurden während der Differenzierung Morphogene und trophische Faktoren zugegeben. Elektrophysiologische Analysen konnten zeigen, dass die in vitro differenzierten Neuronen, die von hpESCs abgeleitet wurden, für Neurone typische Na+/K+ Ströme sowie Aktionspotentiale (30 Hz) vorweisen ausbilden und auf ausgewählte pharmakologische Natrium- (Tetrodotoxin) und Kalium- (Tetraethylammonium) Kanal-Blocker reagierten. Desweiteren war der Großteil der CpGs von differentiell methylierten Regionen (DMRs) KvDMR1 in hpESCs und hpNSCs methyliert, während DMR1 (H19/Igf2 Locus) eine partiell oder komplett abwesende CpG-Methylierung zeigte, was dem parthenogenetischen Ursprung entspricht. Während der Differenzierung wurde die elternabhängige (parent-of-origin) spezifische Genexpression in hpESCs und hpNSCs aufrechterhalten, wie mit Genexpressionsanalysen imprinted Gene gezeigt werden konnte. In der Summe zeigen die hier dargestellten Ergebnisse, dass hpESCs, die kein paternales Genom besitzen, keine Beeinträchtigung im neuralen Differenzierungspotential zeigten und zu Gliazellen und Neurone differenziert werden konnten. Elektrophysiologische Analysen zeigten ferner, dass von hpESCs abgeleitete Neurone funktionell sind. Zudem wird die Expression maternal-spezifischer Gene und die Imprinting-spezifische DNA-Methylierung während der Differenzierung größtenteils aufrechterhalten. In der Summe stellen hpESCs ein einzigartiges Modell dar, um den Einfluss des Imprintings auf die Neurogenese zu untersuchen.

Staphylococcus aureus is a versatile human pathogen that normally develops acute or chronic infections. The broad range of diseases caused by this bacterium facilitates the escape from the host's immune response as well as from target-specific antimicrobial therapies. Nevertheless, the underlying cellular and molecular mechanisms that enable S. aureus to cause these disparate types of infections are largely unknown. In this work, we depicted a novel genetic program involved in the development of cell-fate decision, which promotes the differentiation of the staphylococcal cells into two genetically identical but differently heritable cell lines capable of defining the course of an infection, by simultaneously progressing to (i) a biofilm-associated chronic infection or (ii) a disperse acute bacteremia. Here, S. aureus growing in architecturally complex multicellular communities harbored different cell types that followed an exclusive developmental plan, resulting in a clonal heterogeneous population. We found that these cell types are physiologically specialized and that, this specialization impacts the collective behavior within the multicellular aggregates. Whereas one cell line that we named BRcells, promotes biofilm formation that engenders chronic infections, the second cell line, which we termed DRcells is planktonic and synthetizes virulence factors, such as toxins that can drive acute bacteremia. We identified that the positive feedback loop present in Agr quorum sensing system of S. aureus acts a bimodal switch able to antagonistically control the divergence of these two physiologically distinct, heritable cell lines. Also, we found that this bimodal switch was triggered in response to environmental signals particularly extracellular Mg2+, affecting the size of the subpopulations in specific colonization environments. Specifically, Mg2+-enriched environments enhanced the binding of this cation to the staphylococcal teichoic acids, increasing the rigidity of the cell wall and triggering a genetic program involving the alternative sigma factor σB that downregulated the Agr bimodal switch, favoring the enrichment of the BRcells type. Therefore, colonization environments with different Mg2+ content favored different outcomes in the bimodal system, defining distinct ratio in the BRcells/DRcells subpopulations and the S. aureus outcome in our in vitro model of development of multicellular aggregates and, the infection outcome in an in vivo mice infection model. In this prime human pathogen cell-fate decision-making generates a conserved pattern of heritable, physiological heterogeneity that actively contributes to determine the course of an infection through the emergence and spatio-temporal dynamics of distinct and specialized cell types. In conclusion, this work demonstrates that cell differentiation in pathogenic bacteria is a fundamental phenomenon and its understanding, is central to understand nosocomial infections and to designing new anti-infective strategies / Staphylococcus aureus ist ein wandlungsfähiges humanes Pathogen, das im Allgemeinen akute oder chronische Infektionen entwickelt. Das breite Spektrum von Krankheiten, die von diesem Bakterium verursacht werden, erleichtert es, sowohl der Immunantwort des Wirts als auch gezielten antimikrobiellen Therapien zu entgehen. Dennoch sind die zellulären und molekularen Mechanismen, die S. aureus die Entwicklung dieser verschiedenartigen Infektionsarten ermöglichen, weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit beschreiben wir ein neues genetisches Programm, das bei der Entwicklung der Zelldifferenzierung beteiligt ist und die Differenzierung der Staphylokokken-Zellen in zwei genetisch identische, aber unterschiedliche, erbliche Zelllinien fördert. Diese können den Verlauf einer Infektion bestimmen, indem sie sich gleichzeitig entwickeln zu (i) einer Biofilm-assoziierten chronischen Infektion oder (ii) einer sich ausbreitenden akuten Bakteriämie. Hier verbirgt S. aureus, der in architektonisch komplexen multizellulären Bakteriengemeinschaften wächst, verschiedene Zelltypen, die einem einzigartigen Entwicklungsplan folgen, resultierend in einer klonal heterogenen Population. Wir haben festgestellt, dass diese Zellzypen physiologisch spezialisiert sind, und dass diese Spezialisierung das kollektive Verhalten innerhalb der multizellulären Aggregate beeinflusst. Während eine Zelllinie, die wir als BRcells benennen, Biofilm-Bildung fördert, was chronische Infektionen erzeugt, ist die zweite Zelllinie, als DRcells bezeichnet, planktonisch und synthetisiert Virulenzfaktoren wie Toxine, die eine akute Bakteriämie verursachen können. Wir haben identifiziert, dass die im Agr Quorum sensing System von S. aureus vorhandene positive Rückkopplung als bimodaler Schalter agiert, der antagonistisch die Divergenz dieser beiden physiologisch unterschiedlichen, vererbbaren Zelllinien kontrolliert. Wir haben auch gefunden, dass dieser bimodale Schalter durch Signale aus der Umgebung ausgelöst wird, insbesondere durch extrazelluläres Mg2+, wodurch die Größe der Subpopulationen in spezifischen Kolonisierungsumgebungen beeinflusst wird. Besonders Mg2+-angereicherte Umgebungen fördern die Bindung dieses Kations mit den Teichonsäuren von Staphylokokken, welche die Steifigkeit der Zellwand erhöhen und ein genetisches Programm initialisieren, welches den alternativen Sigmafaktor σB beinhaltet. Dieser regelt den bimodalen Agr Schalter herunter und begünstigt die Anreicherung des Brcells Zelltyps. Daher begünstigen verschiedene Kolonisierungsumgebungen mit verschiedenem Mg2+ Gehalt unterschiedliche Ergebnisse im bimodalen System, welche sich in individuellen Verhältnissen der Brcells/Drcells Subpopulationen und dem Ergebnis für S. aureus – sowohl in unserem in vitro Modell der Entwicklung multizellulärer Aggregate als auch der Entzündungsentwicklung in einem in vivo Maus-Infektionsmodell. In diesem primären Humanpathogen generiert die Zelldifferenzierung ein bleibendes Muster von vererbbarer, physiologischer Heterogenität, die aktiv dazu beiträgt, den Infektionsverlauf durch das Auftreten und die räumlich-zeitliche Dynamik verschiedener spezialisierter Zelltypen zu bestimmen. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass Zelldifferenzierung in pathogenen Bakterien ein grundlegendes Phänomen ist. Diese zu erfassen ist zentral für das Verständnis nosokomialer Infektionen und die Konzeption neuer Strategien gegen Infektionen.