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Cell specific crosstalk of the Wnt/β-catenin and the Shh pathway: implications for tumor development and regression
(2011)
- The canonical Wnt/β-catenin and the Shh pathway as well as the Notch signaling cascade are key regulators in stem cell biology and are independently associated with the development of cancer. Despite the knowledge of a balanced signaling for cellular maintenance, the fundamental biochemical mechanisms of crosstalk are still poorly understood. This study demonstrates that the outcome of interaction between Wnt and Shh is cell type specific. A combined inhibitory mechanism of the Shh and Notch2/Jagged2 pathways on dominant active β-catenin signaling in the adult tongue epithelium keeps Wnt/β-catenin signaling restricted to physiological tolerable levels. In the opposite crosstalk the activation of Wnt/β-catenin signaling in medulloblastoma (MB) of the Shh subtype, in turn inhibits the Hh pathway. The inhibitory mechanism of Shh and Notch2/Jagged2 on Wnt/β-catenin signaling is independent of the degradation complex of β-catenin and takes place inside the nucleus. Furthermore, the negative feedback on Wnt/β-catenin signaling by the Shh pathway relies on transcriptional activity of Gli1/2A. Inhibition of Gli1/2A with the specific inhibitor GANT61 abrogated the negative impact of Shh on β-catenin signaling in vitro. Although the negative feedback loop of Shh is still functional in human SCC25 cells, the inhibitory effect of Notch2/Jagged2 is lost and contributes to the cancerogenic phenotype of these cells. In the inverse situation, the activation of β−catenin signaling has a negative feedback on constantly active Shh signaling and significantly inhibits the Hh pathway. This was shown in Ptch+/- and Math1-Cre:SmoM2Fl/+ MB tumor spheres in vitro, in which inhibition of sphere formation and growth was observed and Hh target gene transcription was down-regulated. This demonstrates for the first time that the activation of canonical Wnt/β-catenin signaling in primary MB cells with a Hh pathway over-activation has a negative effect on the growth of these cells in vitro. In summary the results show that crosstalk of Wnt/β-catenin and Shh signaling has context specific outcome on pathway activity. Elucidation of the molecular interactions will improve our understanding of Wnt and Hh associated tumors and contribute to the development of new therapeutic strategies.
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Identification of a physiological substrate of Abcg2 and its potential role in stem cells
(2011)
- Stem cells are often referred to as potential candidates for the treatment of different pathologies. Their ability to differentiate into various tissue specific cell types offers the possibility to engineer cell systems or organs for replacement. One of the main questions in stem cell biology is how stemness properties are regulated and to what extend this regulation is intrinsic or conveyed by the direct microenvironment (‘niche’). In order to elucidate such regulatory processes, it is informative to analyze processes or molecules that are shared between different stem cell populations. One such molecule that is expressed on a wide range of different embryonic and adult as well as tumor stem cells is the ABC transporter Abcg2. ABC transporters in general are transmembrane proteins that actively extrude endo- and exotoxins as well as xenobiotics, thereby protecting cells and organs. Additionally, ABC transporters are responsible for drug resistance in many cancers. A well-described characteristic of stem cells expressing Abcg2 is the formation of the ‘side population’ (SP) phenotype: An active Abcg2 transporter mediates the efflux of a particular fluorescent dye that is taken up by all cells, thus leading to a less brightly stained population. This phenomenon is widely used to characterize and isolate the most primitive stem cell subpopulation from embryonic and adult tissues, including tumors. Besides its role as toxin transporter little is known about the function of Abcg2 in stem cells. This is mainly due to the fact that its physiological substrate in stem cells remains unknown. The identification of such substrates is therefore of high interest because it would directly link the activity of ABC transporters to regulatory mechanisms in stem cell biology. In the present study we wanted to test the hypothesis that the sphingolipid ceramide is a physiological substrate of the ABC transporter Abcg2. Sphingolipids are potent second messengers and are known to have regulatory functions in stem cells. In particular, the sphingolipid ceramide is described as a mediator of controlled cell death and inducer of differentiation. It is suggested that stem cells need to keep their intracellular ceramide content at low levels in order to prevent apoptosis or differentiation. We propose that Abcg2 and ceramide interact and that this interaction leads to changes in the absolute or relative amounts of ceramide. This in turn influences basic stem cell functions such as self renewal and differentiation. We show that Abcg2 prevents cells from accumulating fluorescence labeled ceramide. Furthermore, exogenously applied ceramides inhibit the transport activity of Abcg2, measured by a decrease of the side population phenotype. This inhibitory effect is consistent with a competitive inhibition mechanism. Additionally, we show that active Abcg2 can increase the ceramide concentration in cell culture supernatant. Finally we demonstrate that Abcg2 protects from ceramide induced cytotoxicity in human cell lines. In summary, these in vitro results strongly suggest that Abcg2 has the ability to regulate ceramide levels. Murine hematopoietic stem cells (HSCs) are the best characterized adult stem cell system so far. By using 7-colour fluorescence-activated cell sorting (FACS) we established the purification of the most primitive HSCs, reflected by their high engraftment capability when transplanted to lethally irradiated mice. By using this sorted cell populations it was in addition possible to establish a system to reproducibly manipulate HSCs ex vivo. This experimental system will serve in further elucidating the physiological consequences of Abcg2 mediated changes in ceramide levels on stem cells in vivo. Taken together, this study shows that Abcg2 has the ability to regulate ceramide levels in cells. This in turn can lead to cellular protection from ceramide induced apoptosis. Additionally, the experimental techniques to further analyze the role of Abcg2 and ceramide in the most primitive hematopoietic stem cells were successfully established, enabling more detailed analysis in the future.
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Der Neokortex der Säugetiere - Evolution und Funktion
(2011)
- In der Neurobiologie nimmt die Untersuchung der Großhirnrinde (Neokortex) eine gewisse Sonderstellung ein, weil das Verständnis dieser hierarchisch übergeordneten Region für die Analyse bzw. Rekonstruktion der Hirnfunktionen insgesamt von entscheidender Bedeutung ist. Dabei macht Folgendes die bedeutungsvolle Stellung des Neokortex aus: seine späte stammesgeschichtliche und ontogenetische Entwicklung, welche bei mehreren Säugetiergruppen mit einer ungewöhnlichen Massenzunahme und Plastizität verbunden ist und letzten Endes auch Raum für Individualität und Intelligenz schafft. Dabei kommt es speziell bei Primaten inklusive des Menschen zu einer zunehmenden Diversifizierung in Areale, welche primär den Sinnessystemen (Sehen, Hören, Tastsinn) sowie der Motorik zugeordnet sind. Mit steigender "Evolutionshöhe" der Säugetiere treten aber auch hierarchisch übergeordnete sekundäre, tertiäre und weitere Areale auf, welche zunehmend der Assoziation bzw. Integration von Sinnessystemen gewidmet sind. All diese Areale steuern die Interaktion des Individuums mit seiner Umwelt, d.h. sie formulieren anhand des aus der Peripherie eingehenden afferenten Inputs eine biologisch sinnvolle (motorische) Reiz-Antwort und ermöglichen in ihrer Gesamtheit (vor allem beim Menschen) auch kognitive Prozesse, so z.B. multisensorisches und assoziatives Denken, aber auch Antrieb, Planung, Erinnerung und ein hochkompliziertes Sozialverhalten. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit besteht darin, bei verschiedenen, teilweise extrem unterschiedlichen Säugetiergruppen über die vergleichende Morphologie der primären Neokortex-Areale zu einem besseren Verständnis grundsätzlicher neokortikaler Funktionsprinzipien (Input, intrinsische Verschaltung, Output) beizutragen. Die Einbeziehung phylogenetischer Aspekte kann dabei helfen, die kortikalen Spezifika der jeweiligen Säugetiere auf ihren Anpassungswert hin kritisch zu überprüfen. Im Detail werden die vier primären Rindenfelder des auditorischen [A1], motorischen [M1], somatosensiblen [S1] und visuellen Systems [V1]) bei Spezies aus unterschiedlichen Ordnungen wie den Primaten (Mensch, Gorilla), Raubtieren (Hund), Paarhufer (Artiodactyla: Schwein, Schaf) sowie der Wale und Delphine (Zahnwale oder Odontoceti; u.a. Großer Tümmler, Schweinswal) anhand einer ganzen Palette von qualitativen und quantitativen Methoden konsequent miteinander verglichen. Als eine solide Basis dient hier die allgemeine Zytoarchitektonik (Nissl- und teilweise Golgi-Färbung), welche durch immunhistochemische Marker (Calbindin, Calretinin, Parvalbumin und Neurofilament) um eine funktionell-neurobiologische Ebene erweitert wird. Die neben den Primaten im Fokus stehenden Delphine, welche sich durch eine erstaunliche Uniformität ihrer Großhirnrinde auszeichnen, werden mittels der “design-basierten“ Stereologie zusätzlich auf die Neuronendichte der kortikalen Areale bzw. ihrer Rindenschichten hin untersucht. Dabei wurden anhand phylogenetischer und evolutionsbiologischer Überlegungen jeweils die Rindenschichten III-V als "Schlüsselregion" ausgewählt, um über die Berechnung von Neuronendichten innerhalb dieser Schichten III und V mehr über die funktionellen Implikationen dieses eigentümlichen Neokortex herauszufinden. Insgesamt zeigt sich, dass der Neokortex im Laufe der Evolution wohl gerade bei den landlebenden Primaten besonders stark diversifiziert worden ist: ihre vier primären Rindenfelder unterscheiden sich im Vergleich mit anderen Säugetieren besonders deutlich: hinsichtlich der Rindengliederung, der Ausstattung mit Neuronentypen sowie der intrinsischen Verschaltung erreicht dieser Kortex ein Höchstmaß an Komplexität. Besonders deutlich wird dies in den granulären Arealen, welche besonders viele Körnerzellen aufweisen (vor allem in der inneren Körnerzellschicht, Lamina IV). Demgegenüber finden sich bei den holaquatischen Delphinen stark abweichende Verhältnisse. Ihre Großhirnrinde erscheint nicht nur allgemein recht einheitlich bzw. monoton, sondern auch in ihrer intrinsischen Funktionsweise stark abgeleitet: hier zeigt sich ein genereller Trend zur Entwicklung einer uniformen Rinde auf gänzlich pyramidal-agranulärer Basis, welche durch das Fehlen einer deutlich erkennbaren Schicht IV gekennzeichnet ist. Bei einem Vergleich der bearbeiteten Säugetiergruppen ergibt sich ein neokortikales Kontinuum zwischen der granulären und der pyramidalen Bauweise zweier herausgehobener “Modellsäuger“, welche einander gewissermaßen als morphologische und funktionelle Extreme gegenüberstehen: mit den Primaten als dem einen (granulären) Endpunkt und den Delphinen als dem anderen (pyramidalen) Endpunkt sowie dazwischen vermittelnden Übergangsformen. Die Hirnrinde des terrestrischen Karnivoren (Hund) zeigt dabei zuweilen Charakteristika, welche ihn eher in die Nähe der Primaten rücken. Bei den terrestrischen Paarhufern (Schaf, Schwein) finden sich dagegen manche Kortex-Merkmale, welche an die Situation bei Delphinen erinnern. Von besonderer Bedeutung ist hier nun die Feststellung, dass wohl gerade die sekundäre Anpassung der Zahnwale (Delphine) an eine ausschließlich aquatische Lebensweise für die Ausbildung ihres ureigenen Typus von Kortex entscheidend gewesen sein dürfte. In diesem Zusammenhang werden die physikalischen Eigenschaften von Wasser die Rahmenbedingungen für evolutionäre Abwandlungen innerhalb des Gehirns als Ganzem vorgegeben haben. Interessanterweise werden neben den höchst- enzephalisierten Vertretern unter den Primaten (Hominidae; Mensch und Menschenaffen) auch den Zahnwalen (Delphinen) von manchen Neurobiologen herausragende kognitive und intellektuelle Fähigkeiten zugeschrieben - trotz der diametral unterschiedlichen Organisation ihres Kortex. Ob und inwieweit dies zutrifft, bleibt weiteren Untersuchungen vorbehalten. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit verlangen für die Zukunft nach weiteren gleichartigen Untersuchungen der nicht-primären, also hierarchisch übergeordneten neokortikalen Assoziationsareale im Hinblick auf funktionelle und evolutions-biologische Implikationen. Die überwältigende Expansion des Neokortex und die daran gekoppelte starke Zunahme der neurobiologischen Kapazität des Gehirns insgesamt dürfte nicht nur bei den Primaten, sondern (in bescheidenerem Umfang) auch bei Delphinen zur Entstehung von kortikalen "Freiräumen" geführt haben. Beim Menschen handelt es sich bei diesem Zuwachs an Hirnmasse und Hirnkapazität vermutlich um das Substrat für die Entstehung der phylogenetisch jüngsten und kognitiv höchstabgeleiteten Merkmale, nämlich Sprache, Persönlichkeit und Vernunft.
