The onset of puberty and sexual development as well as normal reproductive function are dependent on pulsatile secretion of gonadotropin-releasing hormone (GnRH). GnRH is secreted from the GnRH neuron nerve terminals in the hypothalamic median eminence into the portal vessels that lead to the anterior pituitary. The pulsatile secretion of GnRH stimulates the release of gonadotropins, luteinizing hormone (LH), and follicle-stimulating hormone (FSH), which, in turn, regulate various gonadal functions. In rare occasions, the onset of puberty is delayed or completely absent. This can be caused by disrupted development, migration, or function of GnRH neurons, resulting in defects in sexual development and infertility. Congenital GnRH deficiency is termed congenital hypogonadotropic hypogonadism (CHH), and CHH combined with hyposmia or anosmia (reduced or absent sense of smell) is known as Kallmann syndrome (KS). CHH and KS are genetically heterogeneous diseases, with over 30 genes reported in association with KS and CHH to date. How mutations in these genes cause GnRH deficiency is not yet comprehensively understood, but several are postulated to affect GnRH neuron development.
Human pluripotent stem cells (hPSCs) are the equivalent of undifferentiated cells in the early embryo, and able to give rise to all tissues and cell types in the human body. Thus, hPSCs have become a widely used tool for studying the differentiation of specialized cell types and the causes for human diseases in vitro.
Developing methods for directed differentiation of hPSCs into GnRH neurons requires insight into the events which lead to the specification of GnRH neurons during embryonic development. GnRH neurons are born in the olfactory placodes in the nasal area of the developing embryo. After their delamination from the olfactory neuroepithelium, the differentiated postmitotic GnRH neurons take an upward migratory route along the axon fibers of the terminal nerve around the olfactory bulb, cross the cribriform plate to the forebrain, and finally make a ventral turn into to the preoptic area of the hypothalamus. The exact cell type within the olfactory placodes that gives rise to GnRH neurons is not entirely known. Its precursors have been proposed to be of both preplacodal ectoderm and neural crest origin.
The aim of this work was to create a model in which to study the molecular mechanism of GnRH neuron differentiation and the mechanisms of CHH-associated genetic mutations on GnRH neurogenesis in humans. The literature review of this thesis addresses the relevant background in the field of GnRH neuron development; from neural crest and preplacodal development at gastrulation stages, to ontogeny, migration, and maturation of GnRH neurons at puberty. This thesis presents experimental validation of the methods for in vitro generation of GnRH neurons from human pluripotent stem cells, and the findings include the discovery of several genes and proteins expressed during GnRH neuron differentiation.Människans pubertetsutveckling samt fertilitet styrs av ett noggrannt reglerat system av hormonella signaler, dvs. hypotalamus-hypofys-gonad-axeln (HPG-axeln). Gonadotropinfrisättande hormon (eng. Gonadotropin-releasing hormone, GnRH), utsöndras av en grupp specialiserade nervceller i hypotalamus, GnRH neuronerna. Hormonet GnRH fungerar som en startsignal för utsöndring av follikelstimulerande och luteiniserande hormon (FSH och LH) från hypofysen, som i sin tur stimulerar tillverkningen av könshormon.
Eftersom GnRH neuroner har en central roll i HPG-axeln, kan avbrott i deras utveckling eller funktion leda till pubertetsstörningar och infertilitet. Den sällsynta genetiska sjukdomen hypogonadotropisk hypogonadism (CHH) beror på nedsatt utsöndring av GnRH i hypotalamus och leder till försenad eller utebliven pubertet, begränsad könskaraktärsutveckling och infertilitet. Kallmann Syndrom är en form av CHH som förekommer i kombination med nedsatt luktsinne. Det finns ett påvisat samband mellan utvecklingen av luktsinnets celler och GnRH neuroner. Både olfaktoriska receptorceller och GnRH neuroner uppkommer i nasala plakoderna, i neuroepitelet som senare kommer att bilda i embryots luktepitel. Under veckorna 6-8 av fosterutvecklingen migrerar de nybildade GnRH neuronerna från näsan till hypotalamus i hjärnan tillsammans med olfaktoriska receptorcellers axonfibrer. Mekanismer som stör utvecklingen i nasala plakoderna, neuroners migration, eller cellernas mognad, kan därmed vara orsaker till Kallmann Syndrom. Mutationer i över 30 gener har påvisats vara förknippade med CHH och Kallmann Syndrom, men de molekylära mekanismer som orsakar avvikelser i GnRH neuroners fysiologi är till stor del okända.
Humana pluripotenta stamceller (hPSC) är ospecialiserade celler som förekommer under den tidiga embryonalutvecklingen, och som genom differentiering ger upphov till alla specialiserade celltyper i kroppens vävnader och organ. Genom att odla hPSC celler i laboratoriemiljö är det möjligt att återskapa samt studera utvecklingen av specialiserade celler och utforska biologiska mekanismer som gynnar eller förhindrar cellernas uppkomst och funktion.
Denna avhandling beskriver utvecklingen av metoder för differentiering av GnRH neuroner från hPSC in vitro, samt presenterar användningen av differentieringsmetoden som forskningsmodell i studier om GnRH neuroners utveckling. För övrigt diskuteras flera tidigare obeskrivna gener och protein som uttrycks under differentieringsprocessen, och deras potentiella roller i regleringen av humana GnRH neuroners uppkomst och funktion, och därmed även i regleringen av människans pubertetsutveckling och fertilitet
