Reaktivierung neuronaler Stammzellen in kultivierten Drosophila-Hirnexplantationen

Stammzellen sind aufgrund ihres Potenzials für den Einsatz in der regenerativen Medizin^{von großem} Interesse ^1,2. Viele Tiere, insbesondere solche, die langlebig sind, behalten Stammzellen in ihrem erwachsenen Gewebe. Diese residenten Stammzellen dienen der Aufrechterhaltung der Gewebehomöostase und werden zur Reparatur nach körperlichen Verletzungen oder Krankheiten^{verwendet 3,4}. Die meisten Stammzellen bei erwachsenen Tieren sind ruhig, ein relativ ruhender Zustand, der durch Zellzyklusstillstand und Inaktivierung der Wachstumssignalisierung^{gekennzeichnet ist 5}. Als Reaktion auf extrinsische Hinweise verlassen Stammzellen die Ruhe, treten in den Zellzyklus ein und beginnen, Tochternachkommen zu erzeugen, die für ihren Gewebetyp spezifisch sind. Um beispielsweise eine effektive Immunantwort aufzubauen, induzieren Antigen-präsentierende Zellen ruhende naive T-Zellen, in den Zellzyklus einzutreten und sich klonal^{auszudehnen 6}. Als Reaktion auf Schäden an der Skelettmuskulatur treten Muskelsatellitenstammzellen in den Zellzyklus ein und erzeugen Tochtermyoblasten, um beschädigte Myofibrillen zu ersetzen ^5,7. Während es klar ist, dass ruhende Stammzellen auf extrinsische Signale reagieren, bleibt in vielen Fällen die Art des extrinsischen Hinweises unklar, ebenso wie der Mechanismus der Cue-induzierten Stammzellaktivierung. Ein besseres Verständnis dafür, wie ruhende Stammzellen auf extrinsische Hinweise reagieren und in den Zellzyklus eintreten, wird bei der Entwicklung besserer Stammzelltherapien in der Klinik helfen und die wissenschaftlichen Kenntnisse erweitern.

Seit Jahrzehnten werden Modellorganismen verwendet, um die Gene und Zellsignalwege aufzudecken, die die Stammzellproliferation während der Entwicklung und im Erwachsenenalter regulieren. Bei Drosophila teilen sich neuronale Stammzellen (NSCs), bekannt als Neuroblasten (NBs), während der gesamten Entwicklung, um alle Neuronen und Gliazellen zu erzeugen, die sich letztendlich integrieren und den neuronalen Schaltkreis bilden, der für die Gehirnfunktion erforderlich ist ^8,9. Wie andere Stammzellen teilen sich NBs asymmetrisch, um sich selbst zu erneuern, und in einigen Fällen symmetrisch, um den Stammzellpool zu erweitern. Die NB werden während der Embryogenese spezifiziert und die meisten treten gegen Ende in die Ruhephase ein, was mit einem Rückgang der mütterlichen Nährstoffspeicher einhergeht (Abbildung 1). Nachdem die Embryogenese abgeschlossen ist, schlüpfen die Larven und beginnen mit der Fütterung. Als Reaktion auf die Tierfütterung reaktivieren sich die NBs aus der Ruhephase und nehmen die Zellteilungen 10,11,12,13,14,15,16 wieder auf. Da das Drosophila-ZNS relativ einfach ist und NBs zu definierten Zeiten in die Ruhephase ein- und austreten, erweist sich die Verwendung von Drosophila zur Untersuchung der Regulation von Ruhe, Ein- und Ausgang als ideal.

Abbildung 1: Relative Proliferation von CB-NBs (zentrale Gehirnneuroblasten, rot) und MB-NBs (Pilzkörper-Neuroblasten, blau) über die Entwicklungszeit. Am Ende der Embryogenese stellen die meisten NBs (rote Linie) die Proliferation ein und treten in die Ruhephase ein. Die Ruhephase dauert an, bis frisch geschlüpfte Larven ihre erste vollständige Mahlzeit zu sich nehmen. Die Zeitpunkte des Fokus für diese Methodik sind in roten Kreisen angegeben (1, Ruhezustand und 2, Reaktivierung). MB NBs (blau) sind eine Teilmenge der zentralen Gehirn-NBs, die sich während der gesamten Entwicklung kontinuierlich teilen (4 pro Gehirnhälfte). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Als Reaktion auf die Tierfütterung werden PI3-Kinase- und TOR-Wachstumssignalwege in NBs und in ihrer Glia- und Trachealnische^10,11,15,16 aktiv. Wenn Nährstoffe aus der Nahrung entzogen werden oder wenn der PI3-Kinasespiegel reduziert wird, können NBs nicht reaktiviert werden und das Wachstum von Glia und Luftröhre wird ebenfalls reduziert^10,11,15,16. Das aktuelle Modell postuliert, dass die NB-Reaktivierung durch den Fettkörper an das Larvenwachstum gekoppelt ist, was ein systemisches Signal als Reaktion auf die Tierfütterung^{freisetzt 12,17,18}. Dieses Signal, das schwer fassbar bleibt, fördert wahrscheinlich die Expression und Freisetzung von Drosophila insulin-like peptide (Dilps) im Gehirn, was zur nachgeschalteten Aktivierung der PI3-Kinase in NBs und ihrer Glia- und Trachealnische führt. Um die Art der systemischen Cue(s) besser zu verstehen, haben wir eine Methode entwickelt, um ruhende NBs in kultivierten Gehirnexplantationen zu reaktivieren. Mit dieser Methode kann die Reaktivierung von NBs in Abwesenheit von systemischen Hinweisen für das gesamte Tier untersucht werden. Exogene Faktoren können den Kulturmedien wieder zugeführt und die NB-Reaktivierung basierend auf der Aufnahme des Thymidinanalogons EdU untersucht werden. Mit dieser Methode stellten wir fest, dass exogenes Insulin ausreicht, um ruhende NBs in Gehirnexplantaten zu reaktivieren. Zukünftige Arbeiten werden darauf abzielen, zusätzliche Faktoren zu identifizieren, die, wenn sie wieder hinzugefügt werden, entweder positiv oder negativ die NB-Ruhe in Gehirnexplantationen regulieren.