Development of the sensory epithelia of the inner ear and their primary cell types, hair cells and supporting cells, is a complex process under tight molecular regulation. These cells arise from common progenitors that are guided to follow cell-type-specific differentiation program, and undergo prominent structural changes to reach mature morphologies. The mechanisms regulating this cellular differentiation in the developing inner ear are not fully understood. The focus of this thesis has been in understanding the molecular control of the stepwise development of hair cells and supporting cells.
Sequential expression of transcription factors has a central role in the control of development of the cells and tissues. Here we show that transcription factor Prox1 participates in the molecular cascade directing cellular differentiation in the inner ear. During early development, Prox1 is expressed in the progenitors of hair cells and supporting cells, and later maintained only in the supporting cells. We found novel interactions between Prox1 and hair cell-specific transcription factors Atoh1, the master regulator of hair cell development, and Gfi1, an essential survival factor of the cochlear hair cells. When overexpressed in hair cells, Prox1 suppressed the expression of Atoh1 and Gfi1, illustrating the possibility of transcriptional reprogramming of hair cells. This downregulation had functional consequences, resulting in auditory hair cell death during a restricted period at late-embryogenesis. Furthermore, when we studied Gfi1-knock-in mice, the model in which auditory hair cells die shortly after differentiation, we found positive interaction between Gfi1 and p57Kip2. Thus, p57Kip2 is introduced as a new candidate to mediate the survival-promoting function of Gfi1 in the auditory hair cells.
Rho GTPases integrate signals from different molecular pathways to regulate cell cytoskeleton, intercellular junctions and polarity, all properties that are heavily modulated in the epithelial cells of the developing inner ear. A member of Rho GTPase family, Cdc42, was found to be expressed in the developing auditory sensory epithelium. Analysis of Cdc42 mutant mice revealed a versatile role of this protein, demonstrating its importance in 1) the formation of proper cellular patterning in the auditory sensory epithelium, 2) the regulation of apical-basal and planar polarities of the sensory epithelial cells, and 3) the regulation of apical cytoskeleton in these cells. In the absence of Cdc42, mechanosensory hair bundles at the apices of hair cells failed to develop normally, indicating Cdc42 s significance in hearing function. In addition, Cdc42 regulates the maturation of adherens junctions and apical actin cytoskeleton in postnatal supporting cells. Cdc42-deficient supporting cells lacked the ability for normal wound healing, showing that properly developed apical module is needed for epithelium repair following injury to the hearing organ.
This thesis presents new pieces to the molecular network controlling cellular differentiation of the inner ear sensory epithelia. Understanding the regulation of this stepwise development may have therapeutic value. It may help to explain the fundamental reasons why mammalian hair cells do not regenerate and, to identify the mechanisms and factors that could be applied to promote hair cell regeneration in the future.Nisäkkäiden, toisin kuin lintujen ja esimerkiksi sammakkoeläinten, sisäkorvan aistinsolut eivät pysty uusiutumaan kerran tuhouduttuaan ja tämä voi johtaa pysyviin tasapaino- ja kuulohäiriöihin. Tutkimalla sisäkorvan aistinsolujen kehitystä ja sen säätelyä pyritään lisäämään ymmärrystä niistä tekijöistä, jotka toisaalta estävät aistinsolujen uusiutumisen sekä löytämään kohteita, joita manipuloimalla aistinsolujen uusiutumista voitaisiin avittaa. Tässä väitöskirjatyössä on tutkittu sisäkorvan aistinepiteelien solujen erilaistumista ja sen säätelyä keskittyen transkriptiotekijöihin sekä Rho GTP aasi Cdc42:n rooliin. Transkriptiotekijät ovat proteiineja, jotka säätelevät geenien toimintaa, ja Rho GTP aasit ovat proteiineja, jotka yhdessä muiden kohde-proteiinien kanssa säätelevät monia solunsisäisiä, etenkin solutukirankaan liittyviä prosesseja. Työni keskeisimmät tulokset osoittavat, että transkriptiotekijä Prox1 osallistuu yhdessä muiden transkriptiotekijöiden kanssa kaskadiin, joka ohjaa solujen varhaiskehitystä ja Cdc42 puolestaan säätelee merkittävästi solujen rakenteellista erilaistumista.
Sisäkorvan aistinepiteelit koostuvat pitkälle erilaistuneista karvasoluista, jotka toimivat varsinaisina aisti-informaation vastaanottajina sekä tukisoluista, jotka muun muassa ylläpitävät aistinepiteelin normaalia toimintaa antamalla rakenteellista tukea. Karva ja tukisolut erilaistuvat yhteisistä esisoluista ja erilaistumisprosessi käynnistyy jo varhain sikiönkehityksen aikana ja sen virheetön läpivienti on edellytys aistinepiteelien normaalille toiminnalle. Tutkimuksessani selvitin, mikä on Prox1:n rooli karva- ja tukisolujen erilaistumisessa. Prox1 ilmentyy varhaisissa karva ja tukisoluissa, ja myöhemmin ainoastaan tukisoluissa. Löysimme, että Prox1 estää karvasoluspesifisten transkriptiotekijöiden Atoh1 ja Gfi1 ilmentymisen kehittyvissä karvasoluissa. Lisäksi havaitsimme, että tämä Gfi1:n ja Atoh1:n puute karvasolujen varhaiskehityksen aikana johtaa solujen kuolemaan, kun taas myöhäisemmässä kehitysvaiheessa karvasolujen selviytyminen ei ollut yhtä riippuvaista näistä tekijöistä.
Työn toisessa osassa osoitetaan, että Cdc42 säätelee kuuloaistinepiteelin kehityksen aikana etenkin karva ja tukisolujen oikeanlaista järjestymistä epiteelillä, sekä solujen ja koko epiteelin polariteettia. Oikea polariteetti on merkityksellistä aistinepiteelien toiminnalle. Cdc42:n puuttuessa karvasolujen pinnalla olevat karvakimput myös kehittyvät epänormaalisti. Koska karvakimput ovat karvasolujen toiminnan kannalta keskeisimpiä rakenteita, viittaa tämä siihen, että karvasolujen toiminta aisti-informaation välittäjänä on häiriintynyt. Lisäksi kuuloaistinepiteelin viimeisessä kehitysvaiheessa Cdc42 säätelee etenkin aktiini-tukirangan muodostumista tukisoluissa, vaikuttaen samalla koko aistinepiteelin rakenteeseen. Yhdessä nämä tulokset osoittavat Cdc42:n monimuotoisen ja tärkeän roolin kuuloaistinepiteelin solujen erilaistumisessa toiminnallisiksi soluiksi. Tutkimustietoa sisäkorvan solujen kehityksestä voidaan hyödyntää etsittäessä potentiaalisia terapiamuotoja näiden solujen tuhoutumisesta, tai toiminnallisesta häiriöstä johtuviin sensorisiin ongelmiin
