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Introduction: Amniotic fluid harbors cells indicative of all three germ layers, and pluripotent fetal amniotic fluid stem cells (AFSs) are considered potentially valuable for applications in cellular therapy and tissue engineering. We investigated whether it is possible to direct the cell fate of AFSs in vivo by transplantation experiments into a particular microenvironment, the mammary fat pad. This microenvironment provides the prerequisites to study stem cell function and the communication between mesenchymal and epithelial cells. On clearance of the endogenous epithelium, the ductal tree can be reconstituted by the transfer of exogenously provided mammary stem cells. Analogously, exogenously provided stem cells from other tissues can be investigated for their potential to contribute to mammary gland regeneration. Methods: We derived pluripotent murine AFSs, measured the expression of stem cell markers, and confirmed their in vitro differentiation potential. AFSs were transplanted into cleared and non cleared fat pads of immunocompromised mice to evaluate their ability to assume particular cell fates under the instructive conditions of the fat-pad microenvironment and the hormonal stimulation during pregnancy. Results: Transplantation of AFSs into cleared fat pads alone or in the presence of exogenous mammary epithelial cells caused their differentiation into stroma and adipocytes and replaced endogenous mesenchymal components surrounding the ducts in co-transplantation experiments. Similarly, transplantation of AFSs into fat pads that had not been previously cleared led to AFS-derived stromal cells surrounding the elongating endogenous ducts. AFSs expressed the marker protein α-SMA, but did not integrate into the myoepithelial cell layer of the ducts in virgin mice. With pregnancy, a small number of AFS-derived cells were present in acinar structures. Conclusions: Our data demonstrate that the microenvironmental cues of the mammary fat pad cause AFSs to participate in mammary gland regeneration by providing mesenchymal components to emerging glandular structures, but do not incorporate or differentiate into ductal epithelial cells.
Die Brustdrüse (glandula mammaris) bietet ein einzigartiges Modellsystem zum Studium der adulten Stammzellen und der molekularen Signalwege, welche die Selbsterneuerung dieserZellen sowie die Proliferation und Differenzierung der Vorläuferzellen kontrollieren. Die Brustdrüse besteht aus dem Brustepithel und dem Stroma, das zum größten Teil aus dem Fettgewebe gebaut ist. Es enthält auch andere Zelltypen z. B. Fibroblasten und Makrophagen. Die Entwicklung der Brustdrüse findet hauptsächlich nach der Geburt, während der Pubertät, Schwangerschaft und Laktation statt. Ein funktionelles Brustepithel wird während der aufeinander folgenden Zyklen von Schwangerschaft, Laktation und Abstillen auf- und wieder abgebaut. Diese Regenerations-Kapazität kann für die Organrekonstitution genutzt werden. Die Transplantation der kleinen Anzahl von Brustepithelzellen oder des Drüsenfragments in das Fettgewebe einer Empfängermaus, deren eigenes Brustepithel entfernt wurde (cleared fat pad), führt zur vollständigen Epithelregeneration. Die zyklische Entwicklung und Regenerations-Fähigkeit des Epithelgewebes lässt auf die Existenz von Stammzellen schließen, die im Verbund der Epithelzellen überdauern. Diese gewebespezifischen Stammzellen sind in der Lage sich durch asymmetrische Zellteilung zu erneuern (self-renewal) und gleichzeitig die differenzierenden Vorläuferzellen zu bilden. Die während der Pubertät und Schwangerschaft erhöhten systemischen Hormone, lokalen Wachstumsfaktoren und Zytokine kontrollieren die Stammzellen-Proliferation und die Differenzierung der Vorläuferzellen in den verschiedenen Brustepithel-Zelllinien: Myoepithel-, Luminal- und Alveolarzellen. Aufgrund der Tatsache, dass die Entstehung von Brustkrebs mit aberranten Proliferations- und Differenzierungsprogrammen in malignanten Stamm-/ Vorläuferzellen (cancer stem cells) einhergeht, ist die Identifizierung der Signalwege, die diese Prozesse regulieren, für die Stammzellen- und Krebs-Forschung sehr bedeutend. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurden im Rahmen des vorliegenden Projektes die Methoden zur genetischen Manipulation von nicht-angereicherten Brustdrüsen-Stammzellen entwickelt. Durch effiziente lentivirale Transduktion von adhärenten Primärzellen wurden nahezu 90% der Zellen, einschließlich der Stammzellen, transduziert. Diese Optimierung erfolgte durch 1) die Anwendung von konzentrierten Lentiviren mit hoher Qualität, 2) Passagierung der Primärzellen und Entfernung von Gewebeklumpen von den VIII Primärzellkulturen, und besonders 3) durch die Reduzierung der Zelldichte während der viralen Transduktion. Für Brust-Stammzellen sind keine spezifischen Oberflächen-Marker bekannt und daher ist ihre Isolierung deutlich erschwert. Man konnte sie bis jetzt nur anhand der moderaten Expression von CD24 (hitzestabilen Antigen) und hoher Expression von CD49f oder CD29 (α6- oder β1-Integrin) ungefähr 10-fach anreichern. Allerdings haben andere Studien gezeigt, dass die Transplantation der FACS-sortierten Stammzellen zu einer Schädigung der Stammzellen und folglich zu einer Reduktion der Repopulation-Frequenz führen kann. Aus diesem Grund wurden die genetisch modifizierten Stammzellen nicht sortiert. Durch die Transplantationen der transduzierten Primärzellen wurde ihr Stammzellen-Anteil in ihrer natürlichen Nische (cleared fat pad) selektiert. Die transplantierten Stammzellen sind in der Lage duktale Auswüchse zu entwickeln. Mit dieser Strategie konnten Transplantate mit homogener Expression von Fluoreszenz-Markergenen, wie z. B. GFP, erzielt werden. FACS Analysen der Zellen, die aus Transplantaten isoliert werden, haben gezeigt, dass alle drei Brustepithelzell-Populationen, nämlich Luminal-, Basal- und Stammzellen, transduziert waren und GFP exprimierten und daher aus transduzierten Zellen hervor gingen. Die Transplantationen einer Mischung der unterschiedlich fluoreszenzmarkierten Stammzellen ergaben einzelne verzweigte Auswüchse, in denen jeweils nur ein Fluoreszenz-Markerprotein exprimiert wurde. Sie stammen sehr wahrscheinlich von einzelnen transduzierten Stammzellen ab und wachsen jeweils in einem begrenzten Bereich des Brustfettgewebes aus. Die Immun-Antwort der Empfängermäuse gegen Fluoreszenz- Markerproteine könnte das Auswachsen der Transplantate inhibieren. Brustepithelium-Rekonstitutionen waren daher in den Rag2-/-γc-/- Empfängermäusen mit geschwächtem Immunsystem besonders effiziert. Die lentivirale Manipulation von Stammzellen und deren Einsatz in Brustepithelium-Rekonstitutionen kann als alternative Methode zur gewebsspezifischen Knockout-Technik angesehen werden. Für die Etablierung dieser Methode wurde im Rahmen dieser Arbeit ein zentraler Transkriptionsfaktor in der Brustentwicklung, signal transducer and activator of transcription 5 (Stat5), untersucht. (...)
Signal transducers and activators of transcription (Stats) play central roles in the conversion of extracellular signals, e.g., cytokines, hormones and growth factors, into tissue and cell type specific gene expression patterns. In normal cells, their signaling potential is strictly limited in extent and duration. The persistent activation of Stat3 or Stat5 is found in many human tumor cells and contributes to their growth and survival. Stat5 activation plays a pivotal role in nearly all hematological malignancies and occurs downstream of oncogenic kinases, e.g., Bcr-Abl in chronic myeloid leukemias (CML) and Jak2(V617F) in other myeloproliferative diseases (MPD). We defined the mechanisms through which Stat5 affects growth and survival of K562 cells, representative of Bcr-Abl positive CML, and HEL cells, representative for Jak2(V617F) positive acute erythroid leukemia. In our experiments we suppressed the protein expression levels of Stat5a and Stat5b through shRNA mediated downregulation and demonstrated the dependence of cell survival on the presence of Stat5. Alternatively, we interfered with the functional capacities of the Stat5 protein through the interaction with a Stat5 specific peptide ligand. This ligand is a Stat5 specific peptide aptamer construct which comprises a 12mer peptide integrated into a modified thioredoxin scaffold, S5-DBD-PA. The peptide sequence specifically recognizes the DNA binding domain (DBD) of Stat5. Complex formation of S5-DBD-PA with Stat5 causes a strong reduction of P-Stat5 in the nuclear fraction of Bcr-Abl-transformed K562 cells and a suppression of Stat5 target genes. Distinct Stat5 mediated survival mechanisms were detected in K562 and Jak2(V617F)-transformed HEL cells. Stat5 is activated in the nuclear and cytosolic compartments of K562 cells and the S5-DBD-PA inhibitor most likely affects the viability of Bcr-Abl+ K562 cells through the inhibition of canonical Stat5 induced target gene transcription. In HEL cells, Stat5 is predominantly present in the cytoplasm and the survival of the Jak2(V617F)+ HEL cells is impeded through the inhibition of the cytoplasmic functions of Stat5.
The signal transducer and activator of transcription Stat5 is transiently activated by growth factor and cytokine signals in normal cells, but its persistent activation has been observed in a wide range of human tumors. Aberrant Stat5 activity was initially observed in leukemias, but subsequently also found in carcinomas. We investigated the importance of Stat5 in human tumor cell lines. shRNA mediated downregulation of Stat5 revealed the dependence of prostate and breast cancer cells on the expression of this transcription factor. We extended these inhibition studies and derived a peptide aptamer (PA) ligand, which directly interacts with the DNA-binding domain of Stat5 in a yeast-two-hybrid screen. The Stat5 specific PA sequence is embedded in a thioredoxin (hTRX) scaffold protein. The resulting recombinant protein S5-DBD-PA was expressed in bacteria, purified and introduced into tumor cells by protein transduction. Alternatively, S5-DBD-PA was expressed in the tumor cells after infection with a S5-DBD-PA encoding gene transfer vector. Both strategies impaired the DNA-binding ability of Stat5, suppressed Stat5 dependent transactivation and caused its intracellular degradation. Our experiments describe a peptide based inhibitor of Stat5 protein activity which can serve as a lead for the development of a clinically useful compound for cancer treatment.