Köln, Universiẗat, Diss., 2002.

Bielefeld, Universiẗat, Diss., 2002.

Ulm, Univ., Diss., 2007.

Zugl.: Tübingen, Univ., Diss., 2005 / Lizenzpflichtig

Zugl.: Greifswald, Univ., Diss., 2005

Zugl.: Tübingen, Univ., Diss., 2005

Ulm, Univ., Diss., 2008.

Würzburg, Univ., Diss., 2009. / Zsfassung in dt. Sprache.

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.

Polycomb group (PcG) proteins are chromatin modifiers involved in heritable gene repression. Two main PcG complexes have been characterized: Polycomb repressive complex (PRC) 2 is involved in the initiation of gene silencing, whereas PRC1 participates in the stable maintenance of gene repression. Pcgf4 (Polycomb group protein, Bmi1) is one of the most studied PRC1 members with essential functions for embryonic development and adult stem cell self renewal. In embryonic stem cells (ES cells), Pcgf4 is poorly expressed while its paralogs (Pcgf1, Pcgf2, Pcgf3, Pcgf5 and Pcgf6) are expressed at higher levels. The relevance of the Pcgf paralog Pcgf6 for the maintenance of ESC pluripotency has not been addressed so far. My analyses revealed that Pcgf6 was the most expressed Pcgf paralog in undifferentiated ES cells. When ES cells differentiated, gene expression of Pcgf6 strongly declined. To investigate the functions of Pcgf6 in ES cells, we established a doxycycline (dox) inducible shRNA-targeted knockdown system according to publications by Seibler et al. (Seibler et al. 2005; Seibler et al. 2007). Following dox-induced knockdown (KD) of Pcgf6, we observed decreased ES cell colony formation. In parallel, gene expression of pluripotency markers Oct4, Nanog and Sox2 was reduced upon dox-treatment, wheras the expression of mesoderm genes such as T (Brachyury) were up-regulated. Further, microarray analysis revealed de-repression of several spermatogenesis-specic genes upon Pcgf6-KD, suggesting that Pcgf6 may play a role during spermatogenesis. Upon in vitro differentiation, Pcgf6-KD ES cells showed increased hemangioblast formation, paralleled by increased hematopoietic development. In summary, results of this study suggest that Pcgf6 is involved in maintaining ES cell identity by repressing lineage-specific gene expression in undifferentiated ES cells. / Polycomb Gruppe (PcG) Proteine sind Chromatin-Modifikatoren, die an der vererbbaren Genrepression beteiligt sind. Primär wurden bisher zwei PcG-Komplexe charakterisiert: Polycomb-repressiv-Komplex (PRC) 2, der die ersten Schritte des Gen-Silencings übernimmt, und PRC1, der an der stabilen Aufrechterhaltung der Genrepression beteiligt ist. Pcgf4 (Bmi1) ist das am besten untersuchte PRC1-Mitglied. Pcgf4 hat wichtige Funktionen in der embryonalen Entwicklung und in der Selbst-Erneuerung adulter Stammzellen. In embryonalen Stammzellen (ES-Zellen) wird Pcgf4 kaum exprimiert, während seine Paraloge (Pcgf1, Pcgf2, Pcgf3, Pcgf5 und Pcgf6) höher exprimiert sind. Die Bedeutung des Pcgf-Paralogs Pcgf6 für die Aufrechterhaltung der Pluripotenz von ES-Zellen wurde bislang nicht untersucht. Meine Analysen zeigten, dass Pcgf6 der am meisten exprimierter Pcgf-Paralog in undifferenzierten ES-Zellen war. Während der Differenzierung von ES-Zellen wurde die Expression von Pcgf6 stark reduziert. Um die Funktionen von Pcgf6 in ES-Zellen zu untersuchen, habe ich ein Doxycyclin (dox)-induzierbares shRNA-Expressionssystem für den gezielten Knockdown (KD) von Pcgf6 nach Seibler et al. (Seibler et al. 2005; Seibler et al. 2007) etabliert. Nach dox-induziertem KD von Pcgf6 beobachtete ich eine Verringerung der ES-Zell-Kolonie-Bildung. Die Expression der Pluripotenzmarker Oct4, Nanog und Sox2 war nach Dox-Behandlung reduziert, während die Expression mesodermaler Gene, wie z.B. T (Brachyury), hochreguliert wurden. Außerdem zeigten Microarray-Analysen eine De-Repression Spermatogenese-spezifischer Gene nach KD von Pcgf6, was darauf hindeutete, dass Pcgf6 eine Rolle in der Spermatogenese spielen könnte. In der in-vitro- Differenzierung zeigten Pcgf6-KD-ES-Zellen, neben einer erhöhten Bildung von Hämangioblasten, mehr hämatopoetische Vorläufer. Zusammenfassend zeigten die Daten dieser Studie, dass das Pcgf-Paralog Pcgf6 an der Aufrechterhaltung der ES-Zell-Identität durch Unterdrücken lineage-spezifischer Geneexpression in undifferenzierten ES-Zellen beteiligt ist.