Spermatogonial stem cells show an age-dependent and age-independent difference in commitment to self-renewal and differentiation

Abstract

The lifelong process of spermatogenesis is supported by spermatogonial stem cells (SSCs). Because of their ability to self-renew and produce differentiated cells that transmit genetic information to the next generation, SSCs are an important target cell population to restore male fertility. Pup (6-8 days old) and adult mouse SSCs are believed to possess different characteristics. In order to determine if there is a difference in biological activity of SSCs, in Aim 1, I evaluated the self-renewal and differentiation pattern of pup SSCs and compared it to adult SSCs. Using serial transplantation, I showed that pup SSCs preferentially commit to differentiation during the first month after transplantation compared to adult SSCs. This difference in biological activity of pup and adult SSCs may be due to age-dependent and age-independent effects. To investigate the age-dependent effect, in Aim 2, I used immunomagnetic cell sorting to evaluate the expression pattern of cell-surface molecules on pup and adult SSCs. Transplantation of selected cells showed that pup SSCs preferentially express glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) family receptor alpha 1, a GDNF receptor, compared to adult SSCs, indicating an age-dependent difference in cell-surface molecule phenotype. In Aim 3, I investigated the age-independent effect of cell cycle activity on SSC commitment to self-renewal and differentiation, based on the fact that pup SSCs are known to cycle more actively than adult SSCs. To investigate the fate decision of cycling SSCs, I used an SSC culture system, which allows for expansion of SSCs in the presence of GDNF and fibroblast growth factor 2 (FGF2). Transplantation of SSC cultures temporally exposed to a retroviral vector carrying the LacZ gene showed a ~100-fold increase in the number of SSCs that divided in the presence of GDNF and FGF2. However, this increase in cell cycle activity stimulated SSCs to produce differentiating cells at the expense of their oLes cellules souches germinales (CSGs) sont responsables de la production à vie de spermatozoïdes et constituent le seul type cellulaire pouvant s'autorenouveler et contribuer au patrimoine génétique de notre progéniture et représentent donc une cible idéale pour restaurer la fertilité masculine. Il est généralement accepté que les CSGs pré-pubères (6 à 8 jours) et adultes possèdent des caractéristiques distinctes. Pour déterminer si leur activité biologique est différente, j'ai évalué leur potentiel d'autorenouvellement et de différenciation par transplantation séquentielle. Contrairement aux CSGs adultes, les CSGs pré-pubères empruntent préférentiellement la voie de différenciation le premier mois post-transplantation. Cette différence entre les CSGs adultes et pré-pubères pourrait découler de facteurs reliés à l'âge. Afin d'éxaminer l'influence de l'âge sur leur activité biologique, j'ai utilisé une approche d'immunosélection cellulaire par tri magnétique pour évaluer l'expression de protéines membranaires des CSGs adultes et pré-pubères. La transplantation des cellules sélectionnées a montré que GFR alpha 1, un récepteur pour GDNF (glial cell-derived neurotrophic factor), est préférentiellement exprimé sur les CSGs pré-pubères, démontrant un effet de l'âge sur le phénotype membranaire des CSGs. Puisque les CSGs pré-pubères se divisent plus activement que les CSGs adultes, j'ai avons ensuite déterminé l'effet de l'activité du cycle cellulaire sur le potentiel d'autorenouvellement et de différenciation des CSGs. Pour évaluer le rôle du cycle cellulaire sur la détermination de la destinée des CSGs, j'ai utilisé un système de culture qui permet l'expansion infinie des CSGs en présence des facteurs de croissance GDNF et FGF2 (fibroblast growth factor 2). Les CSGs ainsi cultivées ont été transduites par un vecteur rétroviral contenant le gène rapporteur LacZ et soumises à une transplan