Cell fates in nephrogenesis and spermatogenesis

Embryonic cells undergo sequential specification processes to generate multiple cell types of mature organs. Some cells retain pluripotency. They serve as stem or progenitor cells, and provide both new stem cells (self-renewal) and offspring for differentiation. The fate of some cells is to die by programmed cell death. In this thesis, the cell fates in nephrogenesis and spermatogenesis were studied. During kidney organogenesis, an outgrowth of the Wolffian duct, the ureteric bud, induces condensation of the metanephric mesenchyme into a cap condensate, the progenitor cell population that forms the epithelium of all future nephrons. The cap condensate is surrounded by stromal cells. The developmental fates of these cells that also surround the ureter and nascent nephrons, i.e. the kidney stroma, are poorly understood. Bone morphogenetic protein 4 (BMP4) inhibited the outgrowth of the ureteric bud from the Wolffian duct in organ culture. It also had an inhibitory effect on subsequent ureteric branching. The branching defect primarily reflected the effect of BMP4 on the mesenchymal components of the kidney. BMP4 promotes the recruitment of mesenchymal cells around the ureter and their differentiation into smooth muscle. This periureteric cell population likely has a regulatory function in subsequent ureteric growth and differentiation. The exogenous BMP4 also disrupted the cap condensates in kidney explants and large amounts of mesenchymal cells underwent apoptosis. BMP4 maintained the isolated metanephric mesenchymes while suppressing the nephrogenic potential, suggesting that BMP4 acts as a survival/differentiation factor for the stromal progenitors. The stromal cells are apparently essential for the formation and maintenance of the cap condensate. In some organs, such as the testis, the maintenance of stem cells throughout the life span is essential to the normal function, e.g. the formation of sperm cells. Spermatogonia with stem cell activity (SSCs) are among the undifferentiated spermatogonia located at the basement membrane of the seminiferous tubule. Daughters of SSCs both replenish the stem cell pool and enter the differentiation pathway into spermatozoa. Glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF), essential for ureteric branching morphogenesis, is also crucial to the self-renewal of the SSCs. Haploinsufficiency of the Gdnf gene in Gdnf+/- mice caused segmental exhaustion of stem cells, resulting in germ cell loss in old mice. In mice overexpressing GDNF in the testis, spermatogenesis was arrested and large clusters of spermatogonia accumulated in prepubertal animals. Thus, high GDNF concentration promotes the propagation of undifferentiated spermatogonia, whereas low GDNF levels allow SCCs to differentiate in excess and make them prone to depletion. In conclusion, signalling molecules, such as BMP4 and GDNF, affect the cell fates both in nephrogenesis and spermatogenesis by maintaining the precursor cells and promoting their differentiation.Yksilönkehityksen aikana solut erilaistuvat aikuisen lukuisiksi solutyypeiksi. Solujen erilaistuminen johtuu muutoksista geenien ilmentymisessä. Erilaistumispolun aikana solun sisäiset säätelytekijät ja naapurisolujen tuottamat kasvutekijät ohjaavat yhdessä uusien geenien ilmentymistä. Eräät solut eivät erilaistu vaan palvelevat kantasoluina. Ne tuottavat samanaikaisesti esiastesoluja erikoistuneiden solujen tuotantoa varten ja uusia kantasoluja. Sekä aikuisen kudosten uusiutuminen että nopea alkiokauden kehitys perustuvat kanta- ja esiastesolupopulaatioiden toimintaan. Solukohtalolla tarkoitetaan solun erilaistumisen päätepistettä normaalin kehityksen aikana. Solulla voidaan ajatella olevan kolme kehityksellistä vaihtoehtoa: se voi jäädä kantasoluksi tai lähteä asteittaiselle erilaistumistielle; suuri määrä soluja myös kuolee kehityksen aikana. Tässä tutkimuksessa selvitettiin, miten kaksi kasvutekijää vaikuttaa solujen kohtalovalintoihin kahdessa erilaisessa hiirimallissa: munuaisen alkioaikaisessa kehityksessä sekä läpi aikuisiän jatkuvassa siittiöiden muodostuksessa, spermatogeneesissä. Munuainen kehittyy uretersilmun ja munuaismesenkyymin välisen vuorovaikutuksen tuloksena. Hiiren sikiöaikaisia munuaisaiheita voidaan kasvattaa kudosviljelmässä. Munuaisviljelmään lisätty luun morfogeeninen kasvutekijäproteiini 4, BMP4, esti uretersilmun uloskasvua Wolffin tiehyestä ja myöhempää ureterin toistuvaa haarautumista. Tutkimukseni perusteella tämä vaikutus välittyy pääasiassa munuaismesenkyymin kautta ja on erityisen selvä munuaisen takaosassa, mikä paljastaa, että näennäisesti symmetrisessä elimessä on alueellisia eroja kehityksen aikana. BMP4 myös edisti sileän lihassolukerroksen kehittymistä virtsanjohtimen ympärille. Tutkimukseni perusteella BMP4 on kasvutekijä useille mesenkymaalisille solupopulaatioille, jotka osallistuvat munuaisen epiteelirakenteiden kehityksen säätelyyn. Gliaperäinen kasvutekijä, GDNF, ylläpitää aivojen dopaminergisiä hermosoluja sekä säätelee uretersilmun kehitystä. Tutkimuksessamme selvitettiin GDNF:n pitoisuuden merkitystä siittiöiden esiastesolujen, erilaistumattomien spermatogonioiden, kohtalovalinnoissa. Gdnf-geenin yli-ilmentäminen kiveksessä johti siittiöiden erilaistumisen estymiseen ja esiastesolujen kertymiseen suuriksi solurykelmiksi. Gdnf-poistogeeniset hiiret kuolevat pian syntymän jälkeen, mutta havaitsimme, että niissä hiirissä, joilla on yksi toimiva Gdnf alleeli, osassa siementiehyitä siittiöiden kantasolut menetetään eläinten vanhetessa. Täten, GDNF on välttämätön kasvutekijä siittiöiden kantasolujen jakautumiselle ja kantasolupopulaation ylläpidolle

Reduced BMP4 abundance in Gata2 hypomorphic mutant mice result in uropathies resembling human CAKUT

Peer Reviewedhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/71406/1/j.1365-2443.2007.01158.x.pd

Stem Cells, Self-Renewal, and Lineage Commitment in the Endocrine System

The endocrine system coordinates a wide array of body functions mainly through secretion of hormones and their actions on target tissues. Over the last decades, a collective effort between developmental biologists, geneticists, and stem cell biologists has generated a wealth of knowledge related to the contribution of stem/progenitor cells to both organogenesis and self-renewal of endocrine organs. This review provides an up-to-date and comprehensive overview of the role of tissue stem cells in the development and self-renewal of endocrine organs. Pathways governing crucial steps in both development and stemness maintenance, and that are known to be frequently altered in a wide array of endocrine disorders, including cancer, are also described. Crucially, this plethora of information is being channeled into the development of potential new cell-based treatment modalities for endocrine-related illnesses, some of which have made it through clinical trials

Regulation of cell fate decision of undifferentiated spermatogonia by GDNF

The molecular control of self-renewal and differentiation of stem cells has remained enigmatic. Transgenic loss-of-function and overexpression models now show that the dosage of glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF), produced by Sertoli cells, regulates cell fate decisions of undifferentiated spermatogonial cells that include the stem cells for spermatogenesis. Gene-targeted mice with one GDNF-null allele show depletion of stem cell reserves, whereas mice overexpressing GDNF show accumulation of undifferentiated spermatogonia. They are unable to respond properly to differentiation signals and undergo apoptosis upon retinoic acid treatment. Nonmetastatic testicular tumors are regularly formed in older GDNF-overexpressing mice. Thus, GDNF contributes to paracrine regulation of spermatogonial self-renewal and differentiatio