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.

No description available.

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

Das moderne Therapiekonzept der Hochdosischemotherapie von soliden Tumoren und hämatologischen Neoplasien erfordert die prätherapeutische Sammlung, die extrakorporale Reinigung und die nachfolgende Tieftemperaturlagerung von menschlichen Blutstammzellen zur späteren Retransplantation. Stammzellpräparate (Transplantate) von 22 Patienten wurden durch extrakorporale Trennung von peripheren Blut hergestellt. Von jedem Patienten wurde eine Probe mit Dimethylsulfoxid (DMSO) versetzt, bei - 196 oC gelagert und nach ca. 3 Wochen aufgetaut. Eine Vergleichsprobe jedes Patienten wurde ohne den Zusatz von DMSO und ohne einen Einfrierschritt untersucht. Die Exposition von DMSO, das Frieren und Auftauen der Zellen zeigte eine geringfügige des Zell- und Kerndurchmessers, eine konstante Anzahl an Mitochondrien und eine Reduktion der Vesikel. Ein markantes Merkmal der Schädigung nach Tieftemperaturlagerung war das Auftreten von Flüssigkeitseinlagerungen in die Kerndoppelmembran und die Ausbildung von zisternenartigen Erweiterungen des endoplasmatischen Retikulums. Regelmäßig konnten Mitochondrien von verringerter Größe und randständig kondensierter Cristae gefunden werden. Insgesamt konnten keine schwerwiegenden zellulären Schäden beim Vergleich der unbehandelten und der DMSO- versetzten , eingefrorenen und wieder aufgetauten Proben festgestellt werden. Die morphologischen Ergebnisse korrespondieren mit der vollständigen Restitution aller hämatopoetischer Zelllinien nach Transplantation. / The modern therapeutic concept of high-dose chemotherapy of solid tumors and hematologic neoplasias demands a pretherapeutic harvest, an extracorporal purification and an consecutive deep temperature storage of human blood stem cells which will be retransplanted later. Stem cell preparates (transplants) of 22 patients were produced by extracorporal separation of peripheral blood. From each patient a stem cell specimen was mixed with dimethylsulfoxide (DMSO), storaged at - 196 °C and thawed after about 21 days. A corresponding specimen of each patients material was investigated without DMSO addition and without freezing under native conditions. The DMSO exposed, frozed and again defrosted cells showed a mild increase of total cell and nucleus diameters, a constant number of mitochondrias and a reduction of vesicles. A markedly feature of deep temperature damage was the occurance of liquide storages in the nucleus double membrane and the forming of cisterne-like enlargement of the endoplasmatic reticulum. Persistantly we found mitochondrias with reduced size and marginal condensed cristae. Alltogether there were no severe cellular damages in the comparative investigated overlifed specimen cells of the same patient with and without DMSO and deep temperature storage. The morphological results correspond with clinical investigations of a sufficient restitution of all hematopoietic cell lineages in transplanted patients.

Das essentielle Spurenelement Selen (Se) wird als Selenocystein (Sec) in sog. Selenoproteine eingebaut. Selenoproteine haben aufgrund von Sec besondere Eigenschaften und eine Reihe von wichtigen Funktionen im Körper. Im Menschen führt starker Se-mangel zu degenerativen Knorpelerkrankungen und stellt einen Risikofaktor für die Entwicklung von Krebs, Entzündungen, kognitiven Verfall, Schlaganfall und Schilddrüsenerkrankungen dar. Hypoxie tritt ebenfalls in einer Vielzahl schwerer Erkrankungen wie Krebs, Sepsis oder Trauma auf. Auf zellulärer Ebene wird die Hypoxieantwort über Transkriptionsfaktoren der HIF-Familie („Hypoxia-Inducible Factor“) vermittelt. Die Leber ist das zentrale Organ des Selenmetabolismus. Hier wird über die Nahrung aufgenommenes Selen in organisches Sec umgewandelt und in Form von Selenoprotein P (SePP) dem Körper zur Verfügung gestellt. Die Hypothese dieser Arbeit war, dass Hypoxie die Selenoproteinbiosynthese beeinflusst. Experimentell induzierte Hypoxie führte in humanen hepatokarzinomen Zellen zu einer verminderten Expression fast aller Selenproteinen bis auf die für Überleben und Abwehr von reaktiven Sauerstoffspezies wichtige Glutathion Peroxidase 4 (GPX4), welche auch unter hypoxischen Bedingungen stabil exprimiert wurde. Diese Umverteilung von Sec, weg von der Biosynthese des sezernierten SePP hin zur intrazellulären GPX4, wurde HIF unabhängig vermittelt. Stattdessen wurden Schlüsselenzyme der Sec-Biosynthese spezifisch herunterreguliert. Mesenchymale Stammzellen (MSC) leben im Körper unter hypoxischen Bedingungen und haben aufgrund Ihrer Plastizität ein großes regeneratives Potential. In diesem Zellmodel führte nicht Hypoxie, sondern Se-Supplementation, zu einer Herunterregulation der Selenoprtoeinbiosynthese. Dieser Effekt dürfte für die Proliferationskapazität der MSC essentiell sein. In dieser Arbeit werden diese Ergebnisse vorgestellt und vor dem Hintergrund einer Studie zu Se-Spiegeln bei Patienten mit Polytrauma diskutiert. / The essential trace element Selenium (Se) is incorporated into proteins, so called selenoproteins, in form of the 21st proteinogenic amino acid selenocysteine (Sec). Due to the unique biochemical characteristics of Sec, selenoproteins fulfill a number of important functions within the body. In humans, a profound Se deficiency predisposes to a degenerative cartilage disease and moderate Se deficiency constitutes a risk factor for a variety of diseases, such as cancer, inflammation, cognitive decline, stroke or thyroid diseases. Hypoxia occurs in a number of severe illnesses, e.g. in cancer, sepsis or trauma. The cellular transcriptional response is mediated via „Hypoxia inducible factors“ (HIF). The liver is the central organ of Se metabolism, where dietary Se is organified to Sec and distributed in form of selenoprotein P (SePP) throughout the body. This thesis tested the hypothesis that hypoxia may directly affect selenoprotein biosynthesis. In human hepatocarcinoma cells, an experimentally-induced hypoxia led to a reduction of almost all selenoproteins analyzed, with the notably exception of Glutathione Peroxidase, type 4 (GPX4). The enzyme GPX4, important for neutralizing lipid hydroperoxides, remained stably expressed under hypoxic conditions. This redistribution of Sec, away from the secreted Se transporter SePP towards the intracellular protective enzyme GPX4, was HIF independent and rather a result down-regulation of key enzymes at the bottleneck of Sec biosynthesis. Mesenchymal stem cells (MSC) survive in the human body in a hypoxic niche. Due to their great plasticity, MSC have a huge regenerative potential. In this cell model, it was not hypoxia, but rather Se supply itself, which led to a coordinated down-regulation of the whole Sec biosynthesis machinery causing diminished selenoprotein biosynthesis. In this thesis these results are presented and discussed in light of a clinical trial on the importance of Se in polytraumatic patients.

DNS-Methylierung ist ein zentraler epigenetischer Prozess, der essentiell für die Differenzierung embryonaler Stammzellen ist, über dessen Funktion in somatischen Zellen allerdings wenig bekannt ist. In der vorliegenden Doktorarbeit wurden zwei Mausmodelle analysiert, um die Rolle der durch DNS Methyltransferase 1 (DNMT1) hergestellten DNS-Methylierung im adulten hämatopoetischen System zu untersuchen. Als erstes wurde ein „Knockout“-Modell gewählt, um DNMT1 im hämatopoetischen System zu eliminieren. Des Weiteren wurde eine Mausmutante mit reduzierter DNMT1 Expression analysiert. Die vollständige Entfernung von DNMT1 aus dem hämatopoetischen System adulter Mäuse resultierte in Zytopenie und Anämie, gefolgt vom raschen Tod aller Tiere. Die Analyse des Knochenmarks dieser Mäuse zeigte einen fast vollständigen Verlust von hämatopoetischen Stamm- sowie Vorläuferzellen. Dies zeigt, dass die durch DNMT1 erzeugte DNS-Methylierung essentiell für Homöostase und Differenzierung von hämatopoetischen Stammzellen ist. Mäuse mit reduzierter DNMT1 Expression hingegen sind lebensfähig und zeigen einen niedrigen Grad an DNS-Methylierung in verschiedensten Geweben, einschließlich des hämatopoetischen Systems. Durch eine detaillierte phänotypische und funktionelle Analyse der hämatopoetischen Stammzellen zeigte sich, dass der veränderte DNS-Methylierungsgrad ein vermindertes Selbsterneuerungspotenzial zur Folge hat. Interessanterweise fehlen DNMT1 hypomorphen Mäusen lymphoide Vorläuferzellen sowie reife lymphoide Zellen, wohingegen myeloide und erythroide Zellpopulationen keine Veränderungen zeigten. Genomweite Expressionsanalysen von Stammzellen sowie myeloiden Vorläuferzellen zeigten, dass hypomethylierte Stammzellen eine verfrühte myeloerythroide Entwicklung vollziehen und liefern damit eine Erklärung für den Verlust des Selbsterneurungspotenzials und der lymphoiden Entwicklung. Diese Resultate identifizieren eine bis hierhin unbekannte Funktion von spezifischen DNS-Methylierungsgraden für die Steuerung von funktionellen Programmen wie Selbsterneuerung und Differenzierung in hämatopoetischen Stammzellen. / DNA methylation is one of the major epigenetic mechanisms which is known to play a role in embryonic stem cell fate, but its function in somatic stem cells is not well understood. In this thesis two different genetic mouse models were chosen to address the role of DNA methyltransferase 1 (DNMT1) controlled DNA methylation in adult hematopoiesis. First, a conditional knockout approach was used to delete DNMT1 in the adult hematopoietic system. Second, DNMT1 hypomorphic mice with reduced DNMT1 expression were analyzed. Complete DNMT1 deletion in hematopoietic cells led to severe cytopenia and anemia causing rapid lethality of all animals. Bone marrow analysis revealed an almost complete absence of hematopoietic stem and progenitor cells in DNMT1 ablated primary mice as well as in secondary chimeric mice. These results indicated that DNMT1 controlled maintenance of DNA methylation is indispensable for HSCs preservation and differentiation. In contrast to complete DNMT1 deletion, mice with hypomorphic DNMT1 expression were viable, but showed low methylation levels in multiple tissues including the hematopoietic system. Detailed phenotypical and functional analysis of the hypomethylated hematopoietic stem cell (HSCs) compartment revealed an impaired homeostasis and self-renewal capacity. Intriguingly, mutant animals had profoundly reduced lymphoid cell compartments, whereas myeloid and erythroid compartments were unchanged. Expression profiling of stem and myeloid progenitor cells unexpectedly demonstrated that reduced DNA methylation forces the HSC to adopt a myeloid lineage identity. These results, showing the inability of hypomethylated HSCs to maintain an undifferentiated state, provided an explanation for their disturbed capability to self-renew and produce lymphocytes. Taken together, these findings suggest that distinct levels of DNA methylation are required to control different functional programs such as self-renewal and alternative lineage choices in HSCs, thus uncovering a previously unrecognized function for DNMT1 activity.

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

Das erwachsene Gehirn enthält neuronale, multipotente Stammzellen, aus denen in den beiden bekannten neurogenen Regionen des Gehirn, im Hippocampus und im olfaktorischen System, neue Nervenzellen hervorgehen. Aus Transplantationsstudien und anderen Untersuchungen weiß man, daß es die zelluläre Umgebung ist, die die neurogene Permissivität und damit die Entwicklung einer reifen neuen Nervenzelle aus einer Stamm- oder Vorläuferzelle, bestimmt. Die Schlüsselfrage lautet daher: Was macht eine neurogene Region neurogen? Neurogenität ist mehr als die Präsenz von neuralen Stammzellen. Die aktivitätsabhängige Regulation adulter hippocampaler Neurogenese stellt eine physiologische, positive Modulation von Neurogenität im erwachsenen Gehirn dar. Aktivitätsabhängige Regulation adulter hippocampaler Neurogenese ist vielstufig und kein An/Aus-Phänomen. Die unterschiedlichen Stufen der Regulation unterliegen unterschiedlicher genetischer Determination und unterschiedlicher Empfindlichkeit auf aktivitätsabhängige Stimuli. Die Steuerung des Überlebens neugeborener Zellen stellt möglicherweise den entscheidenden Schritt auf dem Weg zu einem neuen Neuron dar. Die aktivitätsabhängige Selektion durch eine überlebensfördernde Wirkung rekrutiert jedoch aus einem Pool proliferierender Vorläuferzellen, die das neurogene Potential darstellen. Die subtile Regulation adulter hippocampaler Neurogenese durch funktionsabhängige Stimuli legt eine Relevanz für hippocampale Funktion, insbesondere Lern- und Gedächtnisvorgänge nahe. Entsprechend muß aber auch eine Bedeutung für hippocampale Pathologie diskutiert werden. Das Verständnis darüber, wie Neurogenität funktions- und aktivitätsabhängig modulierbar ist, ist von größter Relevanz für die Frage, ob und wie sich Neurogenese aus ruhenden neuronalen Stamm- und Vorläuferzellen auch außerhalb neurogener Regionen induzieren und in therapeutischer Absicht nutzen läßt. / The adult brain contains neuronal, multipotent stem cells. In two neurogenic regions of the adult brain, hippocampus and olfactory system, new neurons are generated from these stem cells. From transplantation studies and other investigations it is known that the cellular microenvironment provides the neurogenic permissiveness and determines the development of a mature new neuron from a stem or progenitor cell. Thus, the key question is, what defines a neurogenic region as neurogenic, if it is not the presence of neural stem cells alone. The activity-dependent regulation of adult hippocampal neurogenesis represents a physiologic and positive modulation of neurogenic permissiveness in the adult brain. Activity-dependent regulation of adult hippocampal neurogenesis occurs on multiple steps and is not an on/off phenomenon. The different levels of regulation are differentially influenced by genetic determination and different susceptibility to activity-dependent stimuli. The regulation of the survival of a newly generated cells might be the key step in the development of a new neuron. The activity-dependent recruitment of new neurons by means of a survival-promoting effect acts upon a pool of proliferating progenitor cells, which represent the neurogenic potential. The subtle regulation of adult neurogenesis by functional stimuli suggests a relevance of adult hippocampal neurogenesis for hippocampal function, in particular learning and memory. Accordingly, a potential relevance for hippocampal pathology has to be considered. Insights on how neurogenic permissiveness can be modulated in response to functional stimuli has important implications for the question, if and how neurogenesis from quiescent neuronal stem or progenitor cells can be induced inside and outside of neurogenic regions of the adult brain and can be used for therapeutic purposes.

Schädigungen im zentralen Nervensystem treten nicht nur bei der Multiplen Sklerose (MS), sondern auch bei einer Vielzahl weiterer entzündlicher Schadensparadigmen auf. Allgemeines Kennzeichen dieser primär wie auch sekundär entzündlichen neurodegenerativen Erkrankungen ist das Auftreten von oxidativem Stress in Verbindung mit einer eingeschränkten Regeneration von Nervenzellen und einem übermäßiges Auftreten von Astrozyten. Allerdings ist bislang nicht bekannt, welche Faktoren für eine frühe neuronale Schädigung verantwortlich sind, und welche Faktoren zu einem übermäßigen Auftreten von Astrozyten beitragen. Vorarbeiten belegten, dass Apoptose-regulierende Systeme, wie z.B. der TRAIL-Signalweg, sowohl an der Immunregulation als auch an Schädigungsprozessen im Gehirn beteiligt sein können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass eine auf das ZNS beschränkte Blockade des TRAIL-Signalwegs in der EAE, dem Tiermodell der MS, zu einer signifikanten Verminderung des Erkrankungsgrades führte. Darüber hinaus wurde eine reduzierte Enzephalitogenität von TRAIL-defiziente Myelin-spezifischen Lymphozyten belegt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der TRAIL-vermittelte Schädigungsmechanismus die Pathogenese der Neuroinflammation entscheidend mitbestimmt und die immunregulatorische Wirkung eine eher untergeordnete Rolle spielt. Dagegen stellte sich im Tiermodell der bakteriellen Meningitis heraus, dass TRAIL hier eine anti-inflammatorische Rolle im ZNS spielt, die vor allem durch eine TRAIL-R-abhängige apoptotische Minderung der Entzündungsreaktion vermittelt wird. Eine Beeinflussung der Migration von Effektorzellen durch TRAIL konnte in diesem Modell ausgeschlossen werden. Anscheinend hängt die therapeutische Modulation des TRAIL-Systems entscheidend von der jeweils zu Grunde liegenden Ätiopathogenese ab und kann nicht allgemein auf entzündliche ZNS-Erkrankungen übertragen werden. Als mögliche Ursache für eine verminderte Regenerationsfähigkeit endogener Stammzellen konnte hier ein endogener Mechanismus aufgedeckt werden, der als Antwort auf oxidativen Stress zu einem quantitativen Überwiegen von Astrozyten führt. Dabei zeigte sich, dass nicht toxische oxidative Bedingungen das Proliferationsvermögen von neuralen Stammzellen deutlich hemmten und dazu führten, dass anstelle von Neuronen vornehmlich Astrozyten entstehen. Dieses veränderte Differenzierungsvermögen ließ sich sowohl in vitro als auch in vivo experimentell nachvollziehen und wies darauf hin, dass durch milde Entzündungsprozesse hervorgerufene basale metabolische Veränderungen die neuronale und astrogliale Entwicklung aus neuralen Stammzellen reziprok reguliert wird. In weiteren Untersuchungen stellte sich heraus, dass die Histondeacetylase Sirt1 in neuralen Stammzellen als Sensor für das Redox-Potenzial dient. Schon geringe metabolische Änderungen induzierten die Bindung an den bHLH-Transkriptionsfaktor Hes1, die zu einer direkten Modulation des pro-neuronalen Transkriptionsfaktors Mash1 führten und die Differenzierung von neuralen Stammzellen zugunsten der astroglialen Entwicklung beeinflussten. Die Aufklärung dieses Mechanismus könnte somit zukünftig helfen, intrinsische Regenerationsprozesse nach Schädigung des ZNS zu verstärken und damit neue therapeutische Perspektiven bei neurologischen Erkrankungen zu öffnen. / Damage processes of the central nervous system (CNS) are not only found in Multiple sclerosis (MS) even in a variety of inflammatory diseases. A common feature of these inflammatory neurodegenerative disorders is the existence of oxidative stress in combination with a failure of neuronal replenishment and the predominant occurrence of astrocytes (known as astrogliosis). So far, factors, which are responsible for early neuronal damage and overwhelming generation of astrocytes, are not known. Recent studies could show that the tumor necrosis factor related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) might be involved in immunregulation as well as damage processes in the CNS. Here, it could be shown that blockade of TRAIL in the CNS of animals suffering from experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) significantly ameliorates the disease. Furthermore, transfer of myelin-specific TRAIL-deficient T cells into wild type recipients lead to a significantly attenuated disease score. These findings underline the contribution of TRAIL to irreversible CNS damage. In the adult mammalian brain, multipotent and self-renewing neural progenitor cells (NPCs) have the capacity to generate new neurons, astrocytes and oligodendrocytes. NPCs may thus serve as a regenerative tool by which brain damage could be compensated. However, repair processes in response to all forms of neuronal injury, be they inflammatory, ischemic, metabolic, traumatic or other, are characterized by the failure of neuronal replenishment and the predominant occurrence of astrocytes. The common molecular pathways underlying this phenomenon are only poorly understood. Here, it could be shown that subtle alterations of the redox state, found in different brain damage scenarios, substantially regulate the fate of murine NPCs via the histone deacetylase silent mating type information regulation 2 homolog 1 (Sirt1). Mild oxidative conditions suppress proliferation of NPCs and direct their differentiation towards the astroglial at the expense of the neuronal lineage (and vice versa). Under oxidative conditions, NPCs upregulate Sirt1 in vitro and in vivo, which then binds to the transcriptional repressor Hes1 and finally downregulates the pro-neuronal basic helix-loop-helix transcription factor Mash1. Furthermore, it could be shown that targeted modulation of Sirt1 activity mimics the effects of subtle redox alterations. The results provide evidence for an as yet unknown metabolic master switch, which determines the fate of NPCs. Targeting these mechanisms may minimize undesired aspects of reactive astrogliosis as well as improve the success of therapeutic neural stem cell implantation.

Neueste Arbeiten zeigen, dass die Selbsterneuerung und Pluripotenz von Stammzellen durch hochkonservierte Signalwege kontrolliert werden. Störungen dieser Prozesse verursachen Tumoren, die von Zellen mit stammzellähnlichen Eigenschaften ausgehen, den sog. Krebsstammzellen. Diese Arbeit zeigt, dass erhöhte Wnt/beta-Catenin- und erniedrigte Bmp-Signalgebung eine wichtige Rolle in der Entstehung humaner Plattenepithel-Karzinome der Speicheldrüsen spielen. Es wurde ein Mausmodell hergestellt, bei dem die Aktivierung der Wnt/beta-Catenin und der Verlust der Bmp-Signalgebung ebenfalls Speicheldrüsenkarzinome verursachen. Die Speicheldrüsen-Tumoren der Maus enthielten eine erhöhte Zahl von CD24+CD29+-Stammzellen, von denen bereits 500 Zellen transplantierbare Tumoren in NOD/SCID-Mäusen induzierten, d. h. dass sie Krebsstammzellen darstellen. Die Veränderung nur eines Signalweges, Wnt/beta-Catenin oder Bmp allein, war nicht tumorigen, resultierte aber in einer erhöhten Anzahl von CD24+CD29+-Stammzellen in der Speicheldrüse und einer fünffach schnelleren Geweberegeneration nach Verwundung. Die Krebsstammzellen der Speicheldrüsen zeigten eine erhöhte Expression von Pluripotenzgenen und globale Veränderungen von trimethyliertem Lysin 4 und 27 des Histons 3. Diese Veränderungen korrelieren häufig mit einer Zunahme aktiven und einer Abnahme repressiven Chromatins. Die Krebsstammzellen wuchsen in vitro als undifferenzierte Salisphären und konnten durch Inhibierung des Wnt/beta-Catenin-Signalweges in drüsenartige Strukturen differenziert werden. Dieser Prozess war von repressivem Chromatin abhängig, da DNA-Methylierungs- oder Histon-Deazetylase-Inhibitoren den ursprünglichen Krebsstammzell-Status wieder reaktivieren konnten. Diese Arbeit zeigt, dass ein aktiver Wnt/beta-Catenin-Signalweg die Transformation von normalen Stammzellen zu Krebsstammzellen durch einen epigenetischen Mechanismus fördert. Die Ergebnisse eröffnen neue Strategien für die Tumortherapie beim Menschen. / Little is known about the processes by which cancer stem cells arise in the different tissues. Our analysis of aggressive squamous cell carcinomas (SCCs) of the salivary gland in human patients suggested a link to the Wnt/beta-catenin and Bmp signaling systems. Using a genetically modified mouse strain in which Wnt signaling is up-regulated and Bmp is suppressed, we found that Wnt/beta-catenin promotes the transformation of normal stem cells into cancer stem cells through an epigenetic mechanism. Mouse SCCs of the salivary gland contained high numbers of CD24+CD29+ cancer stem cells. As few as 500 of these cells sufficed to cause tumors when transplanted into NOD/SCID mice. Mice in which only one of the signaling systems was altered had higher numbers of stem cells in the salivary gland, more efficient tissue regeneration, and no apparent tumors. We discovered that the difference of normal compared to cancer stem cells in the salivary gland is an up-regulation of specific pluripotency genes, e.g. Dppa5, as well as global changes in trimethylated Lysine 4 and 27 of histone 3. This indicates an increase of active chromatin and a decrease in the repressive form, which suggests a mechanistic explanation for the change of cell fate. Cancer stem cells of the salivary gland grew as non-adherent spheres and retained the capacity for differentiation if beta-catenin is inhibited. This depended on repressive chromatin, as shown by the fact that 5-azacytidine or HDAC inhibitors restored stemness. Our data opens new strategies for future cancer therapies in humans.