Chặn C tín hiệu Wnt/β-Catenin Kích Thích Định Hình Nơ-ron và Phân Hóa Đôpamin trong Tế Bào Gốc Phôi

Stem Cells - Tập 27 Số 12 - Trang 2917-2927 - 2009
Lukáš Čajánek1, Diogo Ribeiro1, Isabel Liste2,1, Clare L. Parish3,1, Vı́tězslav Bryja4,1, Ernest Arenas1
1Laboratory of Molecular Neurobiology, Department of Medical Biochemistry and Biophysics, Karolinska Institute, Stockholm, Sweden,
2Center of Molecular Biology “Severo Ochoa” (CSIC-UAM), Autonomous University of Madrid, Madrid, Spain
3Howard Florey Institute, University of Melbourne, Parkville, Victoria, Australia
4Department of Cytokinetics, Institute of Biophysics, Academy of Sciences of the Czech Republic, Brno, Czech Republic, and Institute of Experimental Biology, Faculty of Science, Masaryk University, Brno, Czech Republic

Tóm tắt

Tóm tắt

Các tế bào gốc phôi (ESCs) không chỉ là một nguồn tế bào hứa hẹn cho liệu pháp thay thế tế bào, mà còn là công cụ để nghiên cứu các cơ chế phân tử cơ bản của tín hiệu tế bào và sự phát triển của nơ-ron đôpamin (DA). Một trong những yếu tố điều hòa chính sự phát triển của nơ-ron DA là tín hiệu Wnt. Ở đây, chúng tôi đã sử dụng các tế bào gốc phôi chuột (mESCs) thiếu Wnt1 hoặc protein liên kết lipoprotein tỷ trọng thấp 6 (LRP6) để giải mã tác động của tín hiệu Wnt/β-catenin lên sự phát triển của nơ-ron DA trong mESCs. Chúng tôi cung cấp bằng chứng rằng sự thiếu hụt LRP6 làm giảm khả năng đáp ứng của mESCs với sự kích thích của ligand Wnt. Sử dụng hai quy trình phân hóa, chúng tôi cho thấy rằng sự mất mát Wnt1 hoặc LRP6 làm tăng phân hóa ngoại bì thần kinh và số lượng nơ-ron DA từ mESCs. Những tác động này tương tự như những gì quan sát được sau khi điều trị mESCs bằng chất ức chế con đường Wnt/β-catenin Dickkopf1 (Dkk1). Tóm lại, kết quả của chúng tôi cho thấy sự giảm tín hiệu Wnt/β-catenin làm tăng phân hóa thần kinh và DA của mESCs. Những phát hiện này gợi ý rằng: 1) Wnt1 hoặc LRP6 không phải là yếu tố bắt buộc cho phân hóa DA của mESCs trong ống nghiệm, 2) cần tối ưu hóa mức độ và hoạt động của các morphogens trong văn hóa ESC để nâng cao sự phân hóa DA, và 3) bằng cách tăng cường phân hóa và số lượng nơ-ron DA từ ESC với Dkk1, việc ứng dụng ESC cho liệu pháp thay thế tế bào trong bệnh Parkinson có thể được cải thiện.

Các thông tin về xung đột lợi ích tiềm ẩn có thể tìm thấy ở cuối bài báo này.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Parish, 2007, Stem-cell-based strategies for the treatment of Parkinson's disease, Neurodegener Dis, 4, 339, 10.1159/000101892

Ciani, 2005, WNTs in the vertebrate nervous system: From patterning to neuronal connectivity, Nat Rev Neurosci, 6, 351, 10.1038/nrn1665

Ille, 2005, Wnt signaling: Multiple functions in neural development, Cell Mol Life Sci, 62, 1100, 10.1007/s00018-005-4552-2

Gaulden, 2008, Neur-ons and neur-offs: Regulators of neural induction in vertebrate embryos and embryonic stem cells, Hum Mol Genet, 17, R60, 10.1093/hmg/ddn119

Castelo-Branco, 2006, Function of Wnts in dopaminergic neuron development, Neurodegener Dis, 3, 5, 10.1159/000092086

Macdonald, 2007, SnapShot: Wnt/beta-catenin signaling, Cell, 131, 1204, 10.1016/j.cell.2007.11.036

Castelo-Branco, 2003, Differential regulation of midbrain dopaminergic neuron development by Wnt-1, Wnt-3a, and Wnt-5a, Proc Natl Acad Sci U S A, 100, 12747, 10.1073/pnas.1534900100

Parish, 2008, Wnt5a-treated midbrain neural stem cells improve dopamine cell replacement therapy in parkinsonian mice, J Clin Invest, 118, 149, 10.1172/JCI32273

Panhuysen, 2004, Effects of Wnt1 signaling on proliferation in the developing mid-/hindbrain region, Mol Cell Neurosci, 26, 101, 10.1016/j.mcn.2004.01.011

McMahon, 1990, The Wnt-1 (int-1) proto-oncogene is required for development of a large region of the mouse brain, Cell, 62, 1073, 10.1016/0092-8674(90)90385-R

Thomas, 1990, Targeted disruption of the murine int-1 proto-oncogene resulting in severe abnormalities in midbrain and cerebellar development, Nature, 346, 847, 10.1038/346847a0

Joksimovic, 2009, Wnt antagonism of Shh facilitates midbrain floor plate neurogenesis, Nat Neurosci, 10.1038/nn.2243

Prakash, 2006, A Wnt1-regulated genetic network controls the identity and fate of midbrain-dopaminergic progenitors in vivo, Development, 133, 89, 10.1242/dev.02181

Kohn, 2005, Wnt and calcium signaling: beta-catenin-independent pathways, Cell Calcium, 38, 439, 10.1016/j.ceca.2005.06.022

Seifert, 2007, Frizzled/PCP signalling: A conserved mechanism regulating cell polarity and directed motility, Nat Rev Genet, 8, 126, 10.1038/nrg2042

Semenov, 2007, SnapShot: Noncanonical Wnt Signaling Pathways, Cell, 131, 1378, 10.1016/j.cell.2007.12.011

Andersson, 2008, Wnt5a regulates ventral midbrain morphogenesis and the development of A9-A10 dopaminergic cells in vivo, Plos One, 3, e3517, 10.1371/journal.pone.0003517

Kawano, 2003, Secreted antagonists of the Wnt signalling pathway, J Cell Sci, 116, 2627, 10.1242/jcs.00623

Bryja, 2006, An efficient method for the derivation of mouse embryonic stem cells, Stem Cells, 24, 844, 10.1634/stemcells.2005-0444

Bryja, 2006, Derivation of mouse embryonic stem cells, Nat Protoc, 1, 2082, 10.1038/nprot.2006.355

Parisi, 2003, Nodal-dependent Cripto signaling promotes cardiomyogenesis and redirects the neural fate of embryonic stem cells, J Cell Biol, 163, 303, 10.1083/jcb.200303010

Barberi, 2003, Neural subtype specification of fertilization and nuclear transfer embryonic stem cells and application in parkinsonian mice, Nat Biotechnol, 21, 1200, 10.1038/nbt870

Ying, 2003, Conversion of embryonic stem cells into neuroectodermal precursors in adherent monoculture, Nat Biotechnol, 21, 183, 10.1038/nbt780

Parish, 2005, Cripto as a target for improving embryonic stem cell-based therapy in Parkinson's disease, Stem Cells, 23, 471, 10.1634/stemcells.2004-0294

Bryja, 2005, Abnormal development of mouse embryoid bodies lacking p27Kip1 cell cycle regulator, Stem Cells, 23, 965, 10.1634/stemcells.2004-0174

Kawasaki, 2000, Induction of midbrain dopaminergic neurons from ES cells by stromal cell-derived inducing activity, Neuron, 28, 31, 10.1016/S0896-6273(00)00083-0

Danielian, 1996, Engrailed-1 as a target of the Wnt-1 signalling pathway in vertebrate midbrain development, Nature, 383, 332, 10.1038/383332a0

Andersson, 2006, Identification of intrinsic determinants of midbrain dopamine neurons, Cell, 124, 393, 10.1016/j.cell.2005.10.037

Kittappa, 2007, The foxa2 gene controls the birth and spontaneous degeneration of dopamine neurons in old age, Plos Biol, 5, e325, 10.1371/journal.pbio.0050325

He, 2004, LDL receptor-related proteins 5 and 6 in Wnt/beta-catenin signaling: arrows point the way, Development, 131, 1663, 10.1242/dev.01117

Young, 1998, Wnt-1 induces growth, cytosolic beta-catenin, and Tcf/Lef transcriptional activation in Rat-1 fibroblasts, Mol Cell Biol, 18, 2474, 10.1128/MCB.18.5.2474

Bryja, 2007, Wnt-3a utilizes a novel low dose and rapid pathway that does not require casein kinase 1-mediated phosphorylation of Dvl to activate beta-catenin, Cell Signal, 19, 610, 10.1016/j.cellsig.2006.08.011

Gonzalez-Sancho, 2004, Wnt proteins induce dishevelled phosphorylation via an LRP5/6-independent mechanism, irrespective of their ability to stabilize beta-catenin, Mol Cell Biol, 24, 4757, 10.1128/MCB.24.11.4757-4768.2004

Jho, 2002, Wnt/beta-catenin/Tcf signaling induces the transcription of Axin2, a negative regulator of the signaling pathway, Mol Cell Biol, 22, 1172, 10.1128/MCB.22.4.1172-1183.2002

Yamaguchi, 1999, T (Brachyury) is a direct target of Wnt3a during paraxial mesoderm specification, Genes Dev, 13, 3185, 10.1101/gad.13.24.3185

Arnold, 2000, Brachyury is a target gene of the Wnt/beta-catenin signaling pathway, Mech Dev, 91, 249, 10.1016/S0925-4773(99)00309-3

Castelo-Branco, 2004, GSK-3beta inhibition/beta-catenin stabilization in ventral midbrain precursors increases differentiation into dopamine neurons, J Cell Sci, 117, 5731, 10.1242/jcs.01505

Pinson, 2000, An LDL-receptor-related protein mediates Wnt signalling in mice, Nature, 407, 535, 10.1038/35035124

Tamai, 2000, LDL-receptor-related proteins in Wnt signal transduction, Nature, 407, 530, 10.1038/35035117

Wehrli, 2000, Arrow encodes an LDL-receptor-related protein essential for Wingless signalling, Nature, 407, 527, 10.1038/35035110

McMahon, 1989, Ectopic expression of the proto-oncogene int-1 in Xenopus embryos leads to duplication of the embryonic axis, Cell, 58, 1075, 10.1016/0092-8674(89)90506-0

Sokol, 1991, Injected Wnt RNA induces a complete body axis in Xenopus embryos, Cell, 67, 741, 10.1016/0092-8674(91)90069-B

Otero, 2004, Beta-catenin signaling is required for neural differentiation of embryonic stem cells, Development, 131, 3545, 10.1242/dev.01218

Aubert, 2002, Functional gene screening in embryonic stem cells implicates Wnt antagonism in neural differentiation, Nat Biotechnol, 20, 1240, 10.1038/nbt763

Verani, 2007, Expression of the Wnt inhibitor Dickkopf-1 is required for the induction of neural markers in mouse embryonic stem cells differentiating in response to retinoic acid, J Neurochem, 100, 242, 10.1111/j.1471-4159.2006.04207.x

Semënov, 2001, Head inducer Dickkopf-1 is a ligand for Wnt coreceptor LRP6, Curr Biol, 11, 951, 10.1016/S0960-9822(01)00290-1

Bafico, 2001, Novel mechanism of Wnt signalling inhibition mediated by Dickkopf-1 interaction with LRP6/Arrow, Nat Cell Biol, 3, 683, 10.1038/35083081

Hayashi, 2008, Meningeal cells induce dopaminergic neurons from embryonic stem cells, Eur J Neurosci, 27, 261, 10.1111/j.1460-9568.2008.06027.x

Veeman, 2003, A second canon. Functions and mechanisms of beta-catenin-independent Wnt signaling, Dev Cell, 5, 367, 10.1016/S1534-5807(03)00266-1

Topol, 2003, Wnt-5a inhibits the canonical Wnt pathway by promoting GSK-3-independent beta-catenin degradation, J Cell Biol, 162, 899, 10.1083/jcb.200303158

Tahinci, 2007, Lrp6 is required for convergent extension during Xenopus gastrulation, Development, 134, 4095, 10.1242/dev.010272

Bryja, 2009, The extracellular domain of Lrp5/6 inhibits noncanonical Wnt signaling in vivo, Mol Biol Cell, 20, 924, 10.1091/mbc.e08-07-0711

Clevers, 2006, Wnt/beta-Catenin Signaling in Development and Disease, Cell, 127, 469, 10.1016/j.cell.2006.10.018

White, 2007, Wnt signaling: It gets more humorous with age, Curr Biol, 17, R923, 10.1016/j.cub.2007.08.062

Rawal, 2009, Parkin protects dopaminergic neurons from excessive Wnt/beta-catenin signaling, Biochem Biophys Res Commun, 10.1016/j.bbrc.2009.07.014