Regulation von Transkription und Zellidentität durch die Dynamik der FGF/ERK Signalleitung in embryonalen Stammzellen
Entwicklungsbiologie
Zellbiologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zellen in einem sich entwickelnden Embryo müssen fortlaufend entscheiden, in welche Zelltypen sie sich spezialisieren sollen. Dieser Prozess der Zelldifferenzierung wird maßgeblich durch chemische Signale aus der Umgebung der Zelle gesteuert. Diese Signale werden über Rezeptoren an der Zelloberfläche und über Signaltransduktionssysteme in den Zellkern weitergeleitet, wo sie Veränderungen in der Genaktivität auslösen, die die Identität und Funktion einer Zelle bestimmen. Eines der wichtigsten Signalsysteme für die Zelldifferenzierung in frühen Embryonen und embryonalen Stammzellen ist der Fibroblasten- Wachstumsfaktor (Fibroblast Growth Factor, FGF)-Signalweg. Obwohl recht gut bekannt ist, wie FGF-Signale zytoplasmatische Signaltransduktionssysteme aktivieren, ist noch nicht vollständig verstanden, wie diese letztlich die Genaktivität beeinflussen. Es ist außerdem unklar, ob und wie unterschiedliche Mengen an FGF zu unterschiedlichen Genexpressionsreaktionen führen. In diesem Projekt haben wir zunächst ermittelt, welche Gene in Maus-embryonalen Stammzellen auf FGF-Signale reagieren. Wir stellten fest, dass FGF hunderte von Genen beeinflusst. Entgegen unserer anfänglichen Annahme, dass es klar getrennte „Klassen“ von Zielgenen basierend auf ihrer Empfindlichkeit gibt, zeigten sich fließende Unterschiede in den Reaktionen. Um besser zu verstehen, wie FGF die Expressionsniveaus seiner Zielgene reguliert, haben wir anschließend deren Expressionsdynamik untersucht. Mithilfe einer Kombination aus RNA-Färbung und Einzelzell-RNA-Sequenzierung fanden wir heraus, dass die Expression von FGF-Zielgenen stärker „stoßweise“ (burst-artig) verläuft als die von Kontrollgenen. Das bedeutet, dass Phasen mit aktiver Genexpression von längeren Ruhephasen unterbrochen werden als bei Nicht-Zielgenen. Die daraus resultierende erhöhte Zell-Zell-Variabilität könnte nützlich sein um es einer Zellpopulation effektiv zu erlauben eine Bandbreite möglicher zukünftiger Schicksale zu erkunden. Um neue Gene zu identifizieren, die an der Steuerung der Genexpression durch FGF beteiligt sind haben wir abschließend einen CRISPR-Knock-out-Screen durchgeführt. Ein überraschender Treffer in diesem Screen war das Gen Med12, das Teil eines großen Proteinkomplexes ist, der die Genaktivität reguliert. Wir konnten zeigen dass Med12 in Stammzellen nicht nur FGF-Signale weiterleitet, sondern mehrere Signale (wie FGF, Wnt und mTOR) integriert, die die Zelldifferenzierung steuern. Obwohl Med12 nicht für alle Arten von Zellschicksalsentscheidungen notwendig war, führte sein Verlust dazu, dass Stammzellen langsamer in spezialisiertere Zelltypen übergingen. Dies deutet darauf hin, dass Med12 die Geschwindigkeit beeinflusst, mit der Zellen von einem Zustand in einen anderen übergehen. Zusammengefasst liefern unsere Ergebnisse neue Einblicke darin, wie FGF-Signale auf molekularer und dynamischer Ebene verarbeitet werden. Diese Erkenntnisse könnten auch für das Verständnis FGF-abhängiger Zellschicksalsentscheidungen außerhalb der frühen Entwicklung von Bedeutung sein.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Tissue-intrinsic beta-catenin signals antagonize Nodal-driven anterior visceral endoderm differentiation. Nature Communications, 15(1).
Schumacher, Sina; Fernkorn, Max; Marten, Michelle; Chen, Rui; Kim, Yung Su; Bedzhov, Ivan & Schröter, Christian
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Med12 cooperates with multiple differentiation signals to facilitate efficient lineage transitions in embryonic stem cells. Journal of Cell Science, 138(8).
Fernkorn, Max & Schröter, Christian
