Für die Bildung eines funktionalen Nervensystems in Vertebraten ist ein Gleichgewicht zwischen inhibitorischen und exzitatorischen Neuronen essentiell. Ein Schlüsselfaktor in der Regulation dieses Gleichgewichts ist der bHLH Transkriptionsfaktor Ptf1a, welcher GABAerge inhibitorische Neurone in der Retina, dem Hinterhirn und im Rückenmark von Vertebraten spezifiziert, zugleich jedoch glutamaterge exzitatorische Neurone unterdrückt. In diesem Zusammenhang benötigt die Aktivität von Ptf1a die Bildung eines trimeren Komplexes, in welchem Ptf1a an ein allgemein exprimiertes E-Protein und an ein Mitglied der Su(H)-Familie bindet. Ptf1a fördert ebenfalls generelle neuronale Differenzierung in X. laevis Embryonen und Explantaten, was darauf hinweist, dass Ptf1a proneurale Aktivität besitzt. In dieser Doktorarbeit wurde die Rolle von Ptf1a im Zusammenhang mit genereller Neurogenese (frühe Funktion) und neuronaler Subtypen-Spezifizierung (späte Funktion) untersucht. Durch eine zeitliche Expressionsanalyse bekannter Gene konnte gezeigt werden, dass Ptf1a durch die Aktivierung von nachgeschalteten Genen, ähnlich dem proneuralen Transkriptionsfaktor Ngn2, in animalen Kappen (naives Ektoderm) zu frühen Zeitpunkten Neurogenese induziert. In späteren Stadien hingegen aktivierte Ptf1a die Expression von Markergenen, die GABAerge Neurone kennzeichnen, während neuronale glutamaterge Markergene von Ngn2 induziert wurden. Eine mutierte Version von Ptf1a (Ptf1aW224A/W242A), welche nicht in der Lage ist, mit dem Kofaktor Su(H) zu interagieren, behielt die Fähigkeit, generelle Neurogenese zu induzieren, nicht aber GABAerge Markergene zu aktivieren. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass Ptf1a in der Entwicklung des Nervensystems kontext-spezifische Transkriptionskomplexe bildet: einen Su(H)-unabhängigen Komplex zur Aktivierung genereller Neuorgenese und einen Su(H)-abhängigen Komplex zur Spezifizierung GABAerger Neurone. Da die Zielgene von Ptf1a in der Entwicklung des Nervensystems nicht genau bestimmt sind, wurden zwei unabhängige Transkriptom-Analysen durchgeführt, um das Ptf1a nachgeschaltete genetische Netzwerk aufzuzeigen. In diesen Untersuchungen wurde eine zeitliche Analyse von Genen durchgeführt, die durch wildtyp Ptf1a, Ptf1aW224A/W242A und Ngn2 in X. laevis animalen Kappen aktiviert werden; direkte Zielgene für Ptf1a und Ptf1a/Su(H) wurden bestimmt durch die Aktivierung dieser Transkriptionsfaktoren unter Vorhandensein eines Proteinsyntheseinhibitors (CHX). Durch dieses Vorgehen konnten viele mutmaßlich neue frühe und späte Zielgene von Ptf1a identifiziert werden. Eine weitere Analyse dieser nachgeschalteten Zielgene dürfte darüber Aufschluss geben, wie Ptf1a generelle Neurogenese und neuronale Subtypen-Spezifizierung reguliert.

京都大学 / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(医学) / 乙第13235号 / 論医博第2175号 / 新制||医||1037(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 竹内 理, 教授 渡邊 直樹, 教授 山下 潤 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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We have used the chicken retina as a model for investigating cell cycle regulation and cell fate commitment during central nervous system development. This thesis focuses on the characterization of and commitment to the horizontal cell fate in the retina. Horizontal cells are interneurons that provide intraretinal signal processing prior to information relay to the brain. We have identified molecular markers that selectively distinguish the three subtypes of horizontal cells, previously described in the chicken retina based on morphology. Subtype specific birth-dating revealed that horizontal cell subtypes are generated consecutively by biased progenitors that are sensitive to the inhibitory effects of follistatin. Follistatin stimulates proliferation in progenitors by repressing the differentiation signal of activin. Initially, injection of follistatin led to a decrease in committed horizontal cells but as the inhibitory effect dissipated it resulted in an increased number of horizontal cells. During development committed horizontal cell progenitors migrate to the vitreal side of the retina where they become arrested in G2-phase for approximately two days. When the arrest is overcome the horizontal cell progenitors undergo ectopic mitosis followed by migration to their designated layer. The G2-phase arrest is not triggered or maintained by any of the classic G2-arrest pathways such as DNA damage or stress. Nevertheless, we show that the cyclin B1-Cdk1 complex has a central role in maintaining this G2-phase arrest. Two transcription factors, FoxN4 and Ptf1a, are required for the generation of horizontal cells. We show that these factors are also sufficient to promote horizontal cell fate. Overexpression of FoxN4 and Ptf1a resulted in an overproduction of horizontal- and amacrine cells at the expense of ganglion- and photoreceptor cells. We identified Atoh7, a transcription factor required for the generation of ganglion cells, as a Ptf1a transcriptional target for downregulation. Our data support a common horizontal/amacrine lineage separated from the ganglion/photoreceptor lineage by the action of Ptf1a. In conclusion, these data describe several novel characteristics of horizontal cells enhancing our understanding of neural development and cell fate commitment.

Ptf1a/p48 is a pancreas specific bHLH transcription factor that is required at early stages of embryonic development for pancreas formation and, during adulthood, for the proper exocrine pancreatic function. P48 also exerts an antiproliferative effect, which may exert a tumor suppressor activity. In this study, based on a yeast two-hybrid approach, we have identified new p48 partners that modulate the activity of p48. Among the newly identified putative interactors we found p/CAF, which is a coactivator that potentiates its transcriptional activity, and ICAT, an inhibitor of the β-catenin/TCF signaling pathway. ICAT binds to p48 and is coexpressed with it in the pancreas during development and postnatally. Using different cellular models, ICAT overexpression in acinar tumor cells resulted in changes of the pancreatic specific gene expression pattern. Furthermore, high levels of ICAT inhibited the interaction between p48 and p/CAF. While this hetero-oligomeric complex is required for the acinar gene expression, ICAT itself is shown to be present in a reconstituted PTF1 complex in vivo. Importantly, altered ICAT expression is demonstrated in several histological types of pancreatic tumors, possibly contributing to their differentiation phenotype and neoplastic properties. / Ptf1a/p48 es un factor de transcripción bHLH específico del páncreas necesario durante los estadios tempranos del desarrollo embrionario para la formación del mismo, y para el correcto funcionamiento del páncreas exocrino en el adulto. P48 desempeña también una función antiproliferativa, la cual puede resultar en una actividad de supresión tumoral. En el presente estudio, basado en una estrategia de cribado de doble-híbrido en levadura, han sido identificadas nuevas proteínas que interaccionan y que modulan la actividad específica de p48. Entre las posibles proteínas que interaccionan y han sido identificadas de novo se encuentra p/CAF, un co-activador que potencia la actividad transcripcional de p48, y ICAT, un inhibidor de la vía de señalización de la β-catenina. Se ha demostrado que ICAT se une a p48 y ambos son co-expresados en el páncreas durante el desarrollo y en el adulto. Utilizando diferentes modelos celulares, la sobreexpresión de ICAT en células tumorales acinares resultó en un cambio en el patrón de expresión de genes específicos del páncreas. Al mismo tiempo, se observó que niveles elevados de ICAT inhiben la interacción entre p48 y su co-activador p/CAF. Mientras que este complejo hetero-oligomérico es necesario para la expresión de los genes acinares, se demostró que ICAT está presente en un complejo PTF1 reconstituido in vivo. Finalmente, se observaron alteraciones en la expresión de ICAT en varios tipos histológicos de tumores pancreáticos, que posiblemente contribuyen a su fenotipo de diferenciación y propiedades neoplásicas.

A pesar de la abundancia de estudios realizados sobre el papel de las células acinares en las patologías exocrinas del páncreas (i.e. pancreatitis y cáncer), el estudio de las modificaciones producidas durante la diferenciación acinar en dichas patologías, se ha visto limitado por la escasez de modelos celulares no tumorales. Resultados previos de nuestro laboratorio, muestran que las células mES (células madre embrionarias de ratón )- pluripotentes y con la capacidad para generar tipos celulares especializados- pueden desarrollar un fenotipo acinar in vitro. Los objetivos de esta tesis han sido aumentar el contenido de enzimas digestivos así como las propiedades funcionales de las células generadas. Para ello se sobreexpresaron de forma estable p48, RBPJL y Mist1en células madre por transducción lentiviral de estos genes. Obtuvimos, gracias a una estrategia de infección en múltiples etapas, líneas celulares transgénicas mES que expresaban de forma constitutiva RBPJL y/o Mist1. La superimposición de la expresión de p48 por infección lentiviral en células en proceso de diferenciación dio lugar a una fuerte expresión de enzimas digestivos, con un patrón de regulación similar al que acontece in vivo durante el desarrollo pancreático. En esta inducción, tanto p48 como RPBJL son indispensables. Por otro lado, hemos mostrado un aumento elevado en la producción de varios componentes de la maquinaria secretota dependiente de Mist1. Además, hay que hacer notar ,que las células p48/RBPJL/Mist1 exhiben una regulada-secreción en respuesta a los secretagogos acinares y una mejor actividad de que la línea celular acinar 266-6. La expresión combinada de genes clave implicados en el desarrollo pancreático en células ES es un prometedor abordaje que nos llevará a una comprensión de los sutiles procesos del desarrollo exocrino pancreático. / Despite known involvement of acinar cells in pancreatic exocrine pathologies (i.e pancreatitis and pancreatic cancer), the lack of normal cell-based models has limited the study of the alterations that occur in the acinar differentiation program. Our previous data showed that mES (murine embryonic stem) cells, which are pluripotent and have the ability to generate specialized cell types, can acquire an acinar phenotype in vitro. The aim of this work was to increase the digestive enzyme content of the generated cells as well as their functional properties based on stable overexpression of p48, RBPJL and Mist1 by lentiviral gene transduction. Thus, we engineered transgenic mES cell lines constitutively expressing RBPJL and/or Mist1 using a multi-step infection strategy. The superimposition of p48 expression by lentiviral infection of differentiating cells resulted in a strong expression of digestive enzymes, with a pattern of regulation similar to what occurs in vivo during pancreatic development. In this induction, both p48 and RPBJL are indispensable. On the other hand, we showed a high increase in the production of several components of the secretory machinery which was dependent of Mist1. Importantly, p48/RBPJL/Mist1 cells exhibited a regulated-secretory in response to acinar secretagogues and a better secretion activity than the 266-6 acinar cell line. Combined expression of key genes involved in pancreatic development in ES cells may be a promising approach to better understand subtle steps of pancreatic exocrine development.