TISSUE‐SPECIFIC STEM CELLS   

Alternative Generation of CNS Neural Stem  Max‐Planck‐Institute  for  Brain  Research,  Research  Group  Deve‐ Cells and PNS Derivatives from Neural Crest  lopmental  Neurobiology,  Frank‐ Derived Peripheral Stem Cells  furt/M, Germany;  bInnsbruck Med‐ ical  University,  Institute  for  Neu‐   roscience,  Innsbruck,  Austria;  cIns‐ Marlen Webera, Galina Apostolovab, Darius Widerac, Michel  titute  of  Cell  Biology,  University  of  Mittelbronnd, Georg Dechantb, Barbara Kaltschmidtc, e,  Bielefeld,  Bielefeld,  Germany;  dE‐ Hermann Rohrera  dinger  Institute,  (Neurological  In‐   stitute),  Frankfurt/M,  Germany;  e Key words. neural crest • neural stem cell • PNS • CNS • reprogramming  Molecular Neurobiology, Universi‐   ty of Bielefeld, Bielefeld, Germany  ABSTRACT      Corresponding  author:  Hermann  Neural crest‐derived stem cells (NCSCs) from the embryonic PNS can be re‐ Rohrer,  Max‐Planck‐Institute  for  programmed in neurosphere culture (NS) to rNCSCs that produce CNS prog‐ Brain  Research,  Research  Group  eny,  including  myelinating  oligodendrocytes.  Using  global  gene  expression  Developmental  Neurobiology,  analysis  we  now  demonstrate  that  rNCSCs  completely  lose  their  previous  Max‐von‐Laue‐Str.  4,  60438  Frank‐ PNS characteristics and acquire the identity of neural stem cells derived from  furt/M,  Germany,  e‐mail:  Her‐ embryonic spinal cord (SCSCs). Reprogramming proceeds rapidly and results  [email protected],  in a homogenous population of Olig2‐, Sox3‐ and Lex‐positive CNS stem cells.  Phone:  +49‐69‐96769‐319,  Fax:  Low‐level  expression  of  pluripotency  inducing  genes  Oct4,  Nanog  and  Klf4  +49‐69‐96769‐201  argues  against  a  transient  pluripotent  state  during  reprogramming. The  ac‐   quisition  of  CNS  properties  is  prevented  in  the  presence  of  BMP4  (BMP  Received  April  28,  2014;  accepted  NCSCs)  as  shown  by  marker  gene  expression  and  the  potential  to  produce  for  publication  September  06,  PNS neurons and glia. In addition, genes characteristic for mesenchymal and  2014;   perivascular progenitors are expressed, which suggests that BMP NCSCs are    directed  towards  a  pericyte  progenitor/mesenchymal  stem  cell  (MSC)  fate.  ©AlphaMed Press  Adult NCSCs from mouse palate, an easily accessible source of adult NCSCs,   1066‐5099/2014/$30.00/0  display strikingly similar properties. They do not generate cells with CNS cha‐   racteristics  but  lose  the  neural  crest  markers  Sox10  and  p75  and  produce  This  article  has  been  accepted  for  MSC‐like cells. These findings show that embryonic NCSCs acquire a full CNS  publication  and  undergone  full  identity  in  neurosphere  culture.  In  contrast,  MSC‐like  cells  are  generated  peer  review  but  has  not  been  from BMP NCSCs and pNCSCs, which reveals that postmigratory NCSCs are a  through  the  copyediting,  typeset‐ source for MSC‐like cells up to the adult stage.  ting,  pagination  and  proofreading  STEM CELLS 2014; 00:000–000  process  which  may  lead  to  differ‐ ences between this version and the  Version  of  Record.  Please  cite  this  article doi: 10.1002/stem.1880      gratory neural crest are characterized by different com‐ INTRODUCTION  positions  of  transcription  factors  that  form  a  neural    crest gene regulatory network [2, 3].   The  neural  crest  gives  rise  to  a  broad  array  of  deriva‐ The neural crest contains self‐renewing and multipotent  tives including neurons and glia of the peripheral nerv‐ stem cell‐like cells that are present in migratory neural  ous  system,  endocrine  adrenal  chromaffin  cells,  carti‐ crest  and  in  postmigratory  locations  like  gut  and  peri‐ lage and bone of the face, heart vasculature and mela‐ pheral ganglia [4]. Much of the current interest in neur‐ nocytes of the skin [1]. Neural crest cells are specified at  al  crest  cells  is  due  to  their  multipotent  stem  cell‐like  the  border  between  neural  plate  and  non‐neural  ecto‐ characteristics and their potential for regenerative med‐ derm,  delaminate  during  neurulation  from  the  dorsal  icine [5]. We are referring to multipotent, self‐renewing  neural  tube  to  subsequently  migrate  to  their  various  cells  derived  from  embryonic,  postnatal  and  adult  PNS  target sites. Neural plate border, premigratory and mi‐ a

STEM CELLS 2014;00:00‐00 www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 

2 tissues  as  neural  crest‐derived  stem  cells  (NCSCs).  [6]although  in  the  absence  of  melanocyte  progeny  these  cells  may  also  be  considered  as  neural  crest‐ derived  progenitor  cells  [5].  NCSCs  differ  from  neural  stem  cells  in  the  central  nervous  system  (CNS)  by  the  expression  of  specific  markers  like  Sox10,  HNK1,  p75,  and  by  their  potential  to  generate  PNS  progeny  and  mesenchymal  derivatives.  However,  there  is  evidence  that  embryonic  NCSCs  can  be  reprogrammed  to  CNS  neural  stem  cells  in  neurosphere  cultures  under  the  influence  of  culture  conditions  with  heparin‐enhanced  FGF‐signaling,  developed  for  the  maintenance  of  CNS  stem  cells  [6‐8]..  Reprogrammed  NCSCs  (rNCSCs)  give  rise to CNS progeny in vitro and in vivo, upon transplan‐ tation into embryonic and postnatal brain. The ability to  produce myelinating oligodendrocytes that repair brain  lesions  in  vivo  is  of  considerable  interest  for  regenera‐ tive medicine as selfrenewing rNCSCs can be expanded  in culture and are not genetically modified [6, 7].   The  aim  of  the  present  study  was  to  characterize  the  generation  of  CNS  neural  stem  cells  from  neural  crest‐ derived  stem  cells  in  the  PNS  in  more  detail  with  re‐ spect to the underlying cellular and molecular mechan‐ isms.  In addition, NCSCs  from  the adult  PNS were  ana‐ lyzed for their ability to acquire CNS properties to neu‐ rosphere cultures. Using global gene expression analysis  we demonstrate that rNCSCs are indistinguishable from  neural  stem  cells  derived  from  embryonic  spinal  cord  (SCSCs) and show no traces of their previous PNS identi‐ ty. Reprogramming proceeds rapidly by a simultaneous  down‐  and  upregulation  of  PNS  and  CNS  markers,  re‐ spectively,  and  leads  to  a  homogenous  population  of  Olig2+,  Sox3+  and  Lex+  CNS  stem  cells.  Reprogramming  does not involve an epigenetic resetting to a pluripotent  state, but rather direct transdifferentiation from PNS to  CNS stem cells.   PNS  stem cells  can be  prevented from  acquiring a CNS  identity  by  the  application  of  BMP4  to the culture  me‐ dium.  The  PNS  identity  of  BMP  NCSCs  is  shown  by  the  expression  of  neural  crest  marker  genes  and  their  po‐ tential to generate characteristic PNS progeny, i.e. peri‐ pheral  neurons  and  Schwann  cells.  In  addition,  neural  crest derivatives with the characteristic expression pat‐ tern  of  pericyte  progenitors  and  mesenchymal  stem  cells (MSCs) are generated in the presence of BMP4. As  cultured MSCs and pericytes show a very similar pheno‐ type,  ontogentic  relationship,  marker  gene  expression  and  differentiation  potential  we  refer  to  these  cells  in  the  following  as  MSC‐like  cells  [9‐11].  Interestingly,  NCSCs  from  adult  mouse  palate  (pNCSCS)  were  also  directed  towards  pericyte  fates  under  conditions  that  allowed CNS reprogramming in embryonic NCSCs. These  findings demonstrate that the potential of  neural  crest  cells to generate MSC‐like cells [12, 13] is maintained in  postmigratory embryonic and adult NCSCs.           www.StemCells.com

Generation of CNS stem cells from PNS progenitors

MATERIALS AND METHODS    Cell culture. Neurosphere cultures from embryonic DRG  and  spinal  cord  and  from  adult  palate  were  generated  with  modifications  of  published  procedures  [6,  14],  as  detailed in the online Supporting information.   Immunocytochemistry.  Protocols  of  immunostainings  for cell surface and intracellular antigens of short‐term  cultures  and  differentiated  neurosphere  cultures  are  described in detail in Supplemental Materials.   RT‐PCR.  Total  RNA  was  isolated  from  P3  rNCSCs,  BMP  NCSCs, SCSCs, pNCSCs and mouse ESCs (kindly provided  by  A.  Smith,  University  of  Cambridge,  UK)  using  the  RNeasy  Kit.  cDNA  from  RNA  was  synthesized  using  the  M‐MLV  Reverse  Trancriptase  Kit  (Invitrogen).  PCR  pro‐ tocol and primer list (STable 1) are available in the on‐ line supporting information.   Microarray  analysis. Total  RNA  was  isolated  using  TRI‐ zol  reagent  (Life  Technologies),  purified  by  RNeasy  Mi‐ nElute  kit  (Quiagen)  and  analyzed  for  RNA  integrity  (2100  Bioanalyzer).  RNA  samples  from  three  indepen‐ dent  cell  cultures  of  rNCSCs,  BMP  NCSCs,  SCSCs  and  pNCSCs  were  labeled  and  hybridized  to  Affymetrix  Mouse  Genome  430  2.0  Arrays.  Microarray  hybridiza‐ tion  was  performed  at  the  Expression  Profiling  Unit  of  the  Medical  University  Innsbruck.  Pre‐processing  and  differential  expression  analysis  were  performed  in  R  (http://www.r‐project.org)  using  packages  from  the  Bioconductor project [15]. Raw expression values were  normalized and summarized using the GCRMA method  [16].  The  moderated  t‐test  [17]  was  applied  to  assess  the  significance  of  differential  expression  between  the  compared groups; the resulting p‐values were adjusted  for multiple hypothesis testing following the method of  Benjamini  and  Hochberg  [18]  for  a  strong  control  of  false discovery rate. A gene was considered as differen‐ tially  expressed  when  it  was  up‐  or  down‐regulated  at  least  1.5‐fold  and  its  adjusted  p‐value  was  lower  than  0.05.  Gene  ontology  analysis  was  carried  out  to  study  the biological function of genes differentially expressed  between rNCSCs, BMP NCSCs and  pNCSCs using DAVID  [19].  Principal  component  analysis  (PCA)  and  unsuper‐ vised  hierarchical  clustering  (HC)  were  performed  on  samples  based  on  normalized  expression  of  all  genes.  To correct for batch effects either ComBat package was  used  [20]  or  SCAN  ‐  a  single‐sample  normalization  ap‐ proach  which  allows  concurrent  use  of  independent  gene  expression  datasets  [21]..  Profiling  results  have  been deposited at the Gene Expression Omnibus (GEO)  under accession GSE57003. The following publicly avail‐ able expression data downloaded from GEO were used  for  comparison  with  the  microarray  data  generated  in  this  study:  GSE50824  (GSM1230380,  GSM1230381,  GSM1230382,  GSM1230383);  GSE8034  (GSM200043,  GSM200044, GSM200045).          ©AlphaMed Press 2014 

3

RESULTS    Olig2 is induced in DRG‐derived neurospheres  under proliferation conditions (EGF/FGF)  DRG‐derived  NCSCs  are  reprogrammed  in  neurosphere  cultures  to  rNCSCs  that  give  rise  under  differentiation  conditions  to  CNS  progeny  including  Olig2+  cells  with  oligodendrocyte  morphology  and  markers  O4,  CNPase  and Sox10. [6] (SFig. 1A). To analyze the reprogramming  rd efficiency we use short‐term cultures of 3  passage (P3)  neurospheres in proliferation medium and characterize  the properties of rNCSCs.   Virtually all cells in P3 rNCSC neurospheres express the  CNS‐specific gene Olig2 (99±0.4%; n=3; mean±sem; Fig.  1A;  SFig.  1B),  whereas  the  PNS  marker  p75  and  the  Schwann  cell/oligodendroycte  marker  O4  are  not  de‐ tectable. Sox10+ cells, Tuj1+ neurons and GFAP+ glia are  present in very low numbers (Fig. 1A, a‐f). Comparable  results  are  obtained  for  P3  neurospheres  derived  from  E12.5 mouse  spinal  cord  (SCSCs) analyzed  for  compari‐ son  (Fig.  1A,  g‐l).  These  data  indicate  that  reprogram‐ ming  of  embryonic  DRG‐derived  NCSCs  occurs  under  conditions of neurosphere cell proliferation and results  in  a  homogenous  Olig2+  CNS  stem  cell  population  that  does not maintain p75/Sox10 PNS markers.   As  these  conclusions  are  based  on  the  analysis  of  a  small  number  of  marker  genes,  genome‐wide  expres‐ sion profiles of P3 rNCSCs and SCSCs were analyzed by  Affymetrix  microarrays.  Notably,  the  gene  expression  profiles of SCSCs and rNCSCc are virtually identical (Fig.  1B).  Among  the  45.101  probe  sets  on  the  array,  only  one  (Efcab7)  was  differentially  expressed  following  the  established criteria for differential expression (adjusted  p‐value

Alternative generation of CNS neural stem cells and PNS derivatives from neural crest-derived peripheral stem cells.

Neural crest-derived stem cells (NCSCs) from the embryonic peripheral nervous system (PNS) can be reprogrammed in neurosphere (NS) culture to rNCSCs t...
4MB Sizes 0 Downloads 13 Views