Pluripotenz wird durch viele Stammzell-spezifische Transkriptionsfaktoren wie Oct3/4, Nanog und Sox2 sowie deren Funktion in ihrem regulatorischen Netzwerk etabliert und aufrechterhalten. Viele Studien haben gezeigt, wie diese Pluripotenz-assoziierten Faktoren ihre Zielgene regulieren. Dies geschieht durch die Interaktion mit bekannten und unbekannten Interaktionspartnern. In der vorliegenden Arbeit haben wir Zfp819 als einen neuen Pluripotenz-assoziierten Faktor beschrieben und dessen Funktion in pluripotenten Stammzellen untersucht. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit haben wir zwei cDNA-Banken für Yeast two Hybdrid (Y2H)-Assays aus unterschiedlichen pluripotenten Stammzelltypen generiert. Dies hatte zum Ziel, potentielle Interaktionspartner eines Kandidatenproteins zu identifizieren um dadurch Eindrücke über die Funktion des Proteins zu gewinnen. Für die Identifizierung von potentiellen Interaktionspartnern von Zfp819 haben wir die cDNA-Bank aus embryonalen Stammzellen benutzt. Wir konnten 17 putative Interaktionspartner identifizieren und daraus ein hypothetisches „Interaktom“ von Zfp819 generieren. Die Einordnung der putativen Interaktionspartner nach ihrer Gen-Ontologie (GO) ließ vermuten, dass Zfp819 eine Rolle in der Regulation der Transkription, der Aufrechterhaltung der genetischen Integrität und im Zellzyklus bzw. bei der Apoptose spielt. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die sehr intensive Expression von Zfp819 in undifferenzierten pluripotenten Zelllinien gezeigt. Desweiteren konnte die Promotorregion von Zfp819 identifiziert werden, und es wurde gezeigt, dass diese mit epigenetischen Mustern ausgestattet ist. Zusätzlich konnten wir Regionen im Zfp819-Gen identifizieren, die für die nukleäre Lokalisation von Zfp819 verantwortlich sind. Desweiteren konnten wir zeigen, dass Zfp819 in der transkriptionellen Repression von spezifischen endogenen, retroviralen Elementen (ERVs) in pluripotenten Zellen eine Rolle spielt. Durch zelluläre und biochemische Studien konnten wir zeigen, dass Zfp819 mit vielen Proteinen interagiert (z.B. Kap1 und Chd4), welche für die Aufrechterhaltung der genomischen Integrität von Bedeutung sind. Tatsächlich resultierte der Verlust von Zfp819 in embryonalen Stammzellen in einer erhöhten Anfälligkeit für DNA-Schäden und in einer verminderten DNA-Reparatur. Zusammenfassend lassen die Identifizierung der Interaktionspartner sowie die Ergebnisse der molekularen und der funktionellen Studien vermuten, dass Zfp819 durch die Unterdrückung von ausgewählten ERVs eine Rolle in der Regulation der genomischen Stabilität von pluripotenten Zellen spielt.

Une accélération de la fréquence cardiaque (FC) au repos est observée chez les femmes enceintes. Au dernier trimestre, la FC accélère en moyenne de 15%, ce qui représente un facteur de risque dans le développement d’arythmies de novo ou dans l’exacerbation d’arythmies cardiaques préexistantes. Ceci est dangereux pour la mère ainsi que pour le fœtus. Cependant, les mécanismes responsables de ce changement cardiovasculaire restent peu connus. Notre laboratoire a récemment démontré que la grossesse était associée à une augmentation de la densité du courant pacemaker (If) et du courant calcique de type L (ICaL), ainsi qu’à des changements de l’homéostasie calcique dans les cellules de nœud sinusal (NS) de souris. Sachant que les concentrations plasmatiques en œstrogènes sont significativement augmentées pendant la grossesse et que ces hormones sexuelles féminines ont la capacité de modifier les propriétés électrophysiologiques du cœur, l’hypothèse de ce projet de recherche est que les œstrogènes jouent un rôle important dans l’augmentation de la FC associée à la grossesse et régulent les propriétés électrophysiologiques du NS. Les objectifs de ce projet de recherche sont de déterminer le rôle du 17β-œstradiol (E2) dans l’augmentation de la FC, d’examiner si ces effets sont régulés par les récepteurs aux œstrogènes alpha (ERα) et/ou bêta (ERβ) ainsi que d’évaluer les différents mécanismes de régulation de l’E2 sur l’électrophysiologie du NS. Des souris femelles adultes non-gestantes (2-4 mois) déficientes en ERα (ERKOα) ou en ERβ (ERKOβ) ont reçu un traitement chronique à l’E2 (30 μg deux fois par jour pendant quatre jours) simulant les concentrations plasmatiques en E2 retrouvées en fin de grossesse (23,3 ± 5,0 nM) chez la souris. L’analyse des électrocardiogrammes de surface montrent que la FC des souris ERKOβ (ERKOβ : 511 ± 15 bpm; ERKOβ +E2 : 580 ± 10 bpm, n = 10, p < 0,001) est significativement accélérée suivant le traitement à l’E2. Toutefois, la FC demeure inchangée chez les souris ERKOα (ERKOα : 520 ± 16 bpm; ERKOα +E2 : 530 ± 21 bpm, n = 7, p = 0,114). La méthode du patch-clamp en mode courant-imposé a permis de démontrer une accélération de l’automaticité des cellules du NS des souris ERKOβ suivant le traitement à l’E2, se traduisant par une augmentation de la fréquence des potentiels d’action spontanés (ERKOβ : 284 ± 24 bpm, n = 8; ERKOβ +E2 : 354 ± 23 bpm, n = 15, p = 0,0395) et par une pente de dépolarisation diastolique plus rapide (ERKOβ : 82 ± 12 mV/s, n = 8; ERKOβ +E2 : 140 ± 14 mV/s, n = 15, p < 0,003). En lien avec ces résultats, le patch-clamp en mode voltage-imposé a permis de démontrer que la densité de If est augmentée suivant un traitement à l’E2 (à -90 mV : ERKOβ : -6,6 ± 0,7 pA/pF, n = 12-15; ERKOβ +E2 : -11 ± 1 pA/pF, n = 9-11, p < 0,05). Cependant, If est similaire chez les souris ERKOα traitées ou non à l’E2. De plus, des cardiomyocytes humains dérivés de cellules souches pluripotentes induites de type nodal (N-hiPSC-CM) ont une accélération de la fréquence des potentiels d’action (CTL : 69 ± 5 bpm, n = 12; +E2 : 99 ± 6 bpm, n = 14, p < 0,001) ainsi qu’une augmentation de la densité de If (à -90 mV : CTL : -0,95 ± 0,14 pA/pF, n = 7-10; +E2 : -1,62 ± 0,17 pA/pF, n = 13-14, p < 0,05) suivant le traitement à l’E2. L’administration d’E2 ne modifie pas la fréquence des transitoires calciques des cellules de NS des souris ERKOα (139 ± 15, n = 13-14; +E2 : 142 ± 14, n = 15-16, p = ns) et ERKOβ (142 ± 11, n = 14-15; +E2 : 147 ± 13, n = 15-16, p = ns). En lien avec ces résultats, le courant ICaL des N-hiPSC-CM est inchangé suivant le traitement d’E2 (à 0 mV : CTL : -14,0 ± 1,3 pA/pF, n = 12-13; +E2 : -14,5 ± 1,4 pA/pF, n = 22, p = ns). En conclusion, l’accélération de l’automaticité cardiaque associée à la grossesse est, entre autres, expliquée par une augmentation de la densité de If, régulée par la voie de signalisation E2-ERα. Cependant, les changements de l’homéostasie calcique observés pendant la grossesse sont indépendants des niveaux élevés en œstrogènes. Les résultats obtenus sur les N-hiPSC-CM concordent avec ce qui est observé dans les cellules de NS de souris, ce qui démontre l’applicabilité humaine des résultats. Notre étude contribue à élucider l’influence de la grossesse et le rôle des hormones sexuelles féminines sur la fonction du NS et l’automaticité cardiaque. Ultimement, notre travail pourrait aider à développer une meilleure gestion des arythmies associées aux fluctuations hormonales féminines et/ou à la grossesse. / An increased heart rate (HR) is observed in pregnant women. In fact, in the last trimester, in average, the HR increases by 15%, which is a known risk factor to developing cardiac arrhythmias or exacerbating pre-existing arrhythmias. This can lead to major consequences for both the mother and fetus. However, the mechanisms underlying this increased HR remain largely unexplored. Our laboratory recently demonstrate that pregnancy is associated with an increased density of the pacemaker current (If) and the L-type calcium current (ICaL) as well as changes in calcium homeostasis of mouse sinoatrial node (SAN) cells. Knowing that estrogens are increased during pregnancy and that these sex hormones can modify cardiac electrophysiological properties, we hypothesized that estrogens play a key role in the pregnancy-induced increased HR and regulate the SAN electrophysiological properties. Our research project aims to determine the role of 17β-estradiol (E2) on the pregnancy-induced increased HR, to determine if these effects are regulated through estrogen receptor alpha (ERα) and/or beta (ERβ) and to study the E2 underlying mechanisms on SAN electrophysiology. Non-pregnant female mice (2-4 months) lacking ERα (ERKOα) or ERβ (ERKOβ) received a chronic E2 treatment (30 μg twice daily for four days) mimicking E2 concentrations found in late pregnancy (23.3 ± 5.0 nM). Surface electrocardiogram analysis showed a significant increased HR in ERKOβ mice (ERKOβ: 511 ± 15 bpm; ERKOβ +E2: 580 ± 10 bpm; n = 10; p<0.001) following E2 administration. However, the HR remains unchanged in ERKOα mice (ERKOα: 520 ± 16 bpm; ERKOα +E2: 530 ± 21 bpm, n = 7, p = 0.114). Following E2 treatment, current-clamp method demonstrates an increase SAN cells automaticity in ERKOβ mice, resulting in an increase in the spontaneous action potential frequency (ERKOβ : 284 ± 24 bpm, n = 8; ERKOβ +E2 : 354 ± 23 bpm, n = 15, p = 0.0395), associated with a steeper diastolic depolarization slope (ERKOβ : 82 ± 12 mV/s, n = 8; ERKOβ +E2 : 140 ± 14 mV/s, n = 15, p < 0.003), a major determinant of cardiac automaticity. In line with these results, voltage-clamp data showed an increased If density in SAN cells of ERKOβ mice treated with E2 (at -90 mV: ERKOβ: -6.6 ± 0.7 pA/pF, n = 12-15; ERKOβ +E2: -11.0 ± 1.3 pA/pF, n = 9-11, p < 0.05). Nevertheless, If density was similar in E2-treated ERKOα mice. E2-treated nodal-like human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (N-hiPSC-CM) also showed an increased spontaneous action potential frequency (CTL : 69 ± 5 bpm, n = 12; +E2 : 99 ± 6 bpm, n = 14, p < 0.001) and If density (at -90 mV: CTL: -0.95 ± 0.14 pA/pF, n = 7-10; +E2: -1.62 ± 0.17 pA/pF, n = 13-14, p < 0.05). Following E2 administration, the rate of calcium transient was similar in SAN cells from ERKOα (139 ± 15, n = 13-14; +E2 : 142 ± 14, n = 15-16, p = ns) and ERKOβ (142 ± 11, n = 14-15; +E2 : 147 ± 13, n = 15-16, p = ns) mice. In line with these results, no modification was seen on ICaL density in E2-treated N-hiPSC-CM (at 0 mV: CTL: -14.0 ± 1.3 pA/pF, n = 12-13; +E2: -14.5 ± 1.4 pA/pF, n = 22, p = ns). In conclusion, the increased cardiac automaticity observed during pregnancy is, in part, explained by an increased If density. This mechanism is mediated by the E2-ERα pathway. In the other hand, calcium homeostasis changes detected during pregnancy appear to be mediated by an E2-independent mechanism. Finally, results obtained on N-hiPSC-CM are consistent with our observations on mouse SAN cells, demonstrating the human applicability of our results. This study provides novel insight on the effects of female sex hormones on the SAN functions. Ultimately, this information can lead to improved management of arrhythmias associated with female hormone fluctuations and/or pregnancy-induced arrhythmias.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Human induced pluripotent stem (iPS) cells have the unique ability to differentiate into 200 or so somatic cell types that make up the adult human being. The use of human iPS cells to study development and disease is a highly exciting and interdependent field that holds great promise in understanding and elucidating mechanisms behind cellular differentiation with future applications in drug screening and cell replacement studies for complex and currently incurable cellular degenerative disorders. The recent advent of iPS cell technology allows for the generation of patient-specific cell lines that enable us to model the progression of a disease phenotype in a human in vitro model. Differentiation of iPS cells toward the affected cell type provides an unlimited source of diseased cells for examination, and to further study the developmental progression of the disease in vitro, also called the “disease-in-a-dish” model. In this study, efforts were undertaken to recapitulate the differentiation of distinct retinal cell affected in two highly prevalent retinal diseases, Usher syndrome and glaucoma. Using a line of Type III Usher Syndrome patient derived iPS cells efforts were undertaken to develop such an approach as an effective in vitro model for studies of Usher Syndrome, the most commonly inherited disorder affecting both vision and hearing. Using existing lines of iPS cells, studies were also aimed at differentiation and characterization of the more complex retinal cell types, retinal ganglion cells (RGCs) and astrocytes, the cell types affected in glaucoma, a severe neurodegenerative disease of the retina leading to eventual irreversible blindness. Using a previously described protocol, the iPS cells were directed to differentiate toward a retinal fate through a step-wise process that proceeds through all of the major stages of neuroretinal development. The differentiation process was monitored for a period of 70 days for the differentiation of retinal cell types and 150 days for astrocyte development. The different stages of differentiation and the individually derived somatic cell types were characterized by the expression of developmentally associated transcription factors specific to each cell type. Further approaches were undertaken to characterize the morphological differences between RGCs and other neuroretinal cell types derived in the process. The results of this study successfully demonstrated that Usher syndrome patient derived iPS cells differentiated to the affected photoreceptors of Usher syndrome along with other mature retinal cell types, chronologically analogous to the development of the cell types in a mature human retina. This study also established a robust method for the in vitro derivation of RGCs and astrocytes from human iPS cells and provided novel methodologies and evidence to characterize these individual somatic cell types. Overall, this study provides a unique insight into the application of human pluripotent stem cell biology by establishing a novel platform for future studies of in vitro disease modeling of the retinal degenerative diseases: Usher syndrome and glaucoma. In downstream applications of this study, the disease relevant cell types derived from human iPS cells can be used as tools to further study disease progression, drug screening and cell replacement strategies.