Detailansicht
Identification and characterization of a putative stem cell population in Nematostella vectensis
Andreas Denner
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium Naturwissenschaften (Lebenswissenschaften): Biologie
Betreuer*in
Ulrich Technau
DOI
10.25365/thesis.79160
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30884.84384.344411-6
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Stammzellen sind ein integraler Zelltyp multizellulärer Lebensformen, da sie die für Gewebehomöostase, Wachstum und Regeneration benötigten differenzierten Zellen produzieren, die Organismen für ihr Überleben brauchen. Bisher hatte sich die Stammzellforschung hauptsächlich auf genetisch gut charakterisierte Vertebraten-Modellorganismen beschränkt, die die Möglichkeiten für medizinische Forschung und Anwendungen bieten. Diese häufig benutzten Modellsysteme sondern die Keimbahn von den somatischen Zellen früh während der Embryonalentwicklung ab und haben als adulte Lebewesen nur mehr auf bestimmte Zelllinien beschränkte Stammzellen. Auch in der Evolutionsbiologie standen Stammzellen bereits seit den Studien zur Vererbung und der Keimplasmatheorie von August Weismann im Fokus der Forschung. Durch die Charakterisierung von adulten, multipotenten Stammzellen in Schwämmen, Planarien, Nesseltieren und den Xenacoelomorpha wurde ersichtlich, dass eine frühe Trennung von Soma und Keimbahn während der Embryonalentwicklung möglicherweise kein ursprüngliches Merkmal der Metazoa darstellt. In den Nesseltieren, oder Cnidaria, wurden Stammzellen bis jetzt nur in den Hydrozoen beschrieben, wo sie als interstitielle Zellen (I-Zellen) bezeichnet werden, und sowohl somatische als auch Keimbahnzellen produzieren. Allerdings ist basierend auf dem derzeitigen Wissensstand unklar, ob die I-Zellen eine Apomorphie der Hydrozoen darstellen, oder ein ursprüngliches Merkmal der Cnidaria sind. Daher war mein Ziel in dieser Arbeit die Charakterisierung der Stammzellen in Nematostella vectensis, um vereinheitlichende Charakteristika der Stammzellen in den Cnidaria zu studieren. Ähnlich wie die verbreiteten Modellorganismen Hydra und Hydractinia, ist auch Nematostella ein höchst regeneratives Tier, das keine Zeichen von Seneszenz zeigt, was auf die Präsenz von adulten Stammzellen und eines potenten Gewebehomöostase-Systems hindeutet. Durch die Verwendung von Einzelzell-RNA-Sequenzierung sowie Transgenen Reporterlinien der neuronalen Bestimmungsfaktoren soxC, sox2, nanos1, cp1 und klf845, konnte ich zeigen, dass eine Population von neuronalen Vorläuferzellen existiert, die die somatischen Zelltypen der neuro-glandulären Abstammungslinie (Neuronen, Drüsenzellen und Nesselzellen) bildet, ähnlich den I-Zellen der Hydrozoen. Da die meisten multipotenten adulten Stammzellen der Metazoen Mitglieder des sogenannten Keimzell-Multipotenz-Programmes (GMP) exprimieren, erstellte ich Reporterlinien der GMP-Gene nanos2 und piwi1. Diese Methode zeigte, dass beide Gene in Zellen mit undifferenziertem Erscheinungsbild, die im ganzen Körper von Nematostella verteilt sind exprimiert werden, und in den Nachkommen der neuro-glandulären Zelllinie, in dem Gewebe, das die Gonaden umgibt, sowie den Oogonien und Spermatogonien. Ich konnte zeigen, dass beide Gene proliferierende Zellen markieren, die sowohl vermeintliche schnell teilende Vorläuferzellen und langsam teilende Stammzellen umfassen. Einzelzell-RNA-Sequenzierung zeigte ebenfalls, dass beide Gene in einer undifferenzierten Zellpopulation, sowie in allen differenzierten Zelltypen exprimiert werden. Ein knockout Experiment des Gens nanos2 demonstrierte, dass Individuen, denen eine funktionelle Variante dieses Proteins fehlt, zwar alle somatischen Zelltypen bilden können, aber keine Keimzellen. Zusammengefasst zeigen meine Ergebnisse, dass Nematostella eine Population von vermeintlichen Stammzellen besitzt, die neuro-glandulären Zelltypen sowie die Gameten bilden. Dieses Stammzell-System erscheint den I-Zellen der Hydrozoen sehr ähnlich, und suggeriert durch Parsimonie, dass dieser Zelltyp anzestral in den Cnidaria sein könnte.
Abstract
(Englisch)
Stem cells are a crucial cell type of multicellular life forms for tissue homeostasis, growth and regeneration, as they provide the differentiated cells that organisms need for their survival. Research of stem cells has been largely focused on well characterized and accessible vertebrate models which offer the possibility of medical applications in humans. These model systems feature an early separation of soma and germline with separate stem cell populations which are usually lineage restricted in the adult organism. However, stem cells have also been a focus of evolutionary biology since the studies on heredity and the germ plasm by August Weismann. With the characterization of adult multipotent stem cells in multiple phyla such as sponges, planarians, cnidarians and Xenacoelomorpha it became apparent that an early separation of germline and soma may not be an ancestral trait of metazoans. In Cnidaria, adult stem cells have only been described in hydrozoans, where they are called interstitial stem cells (ISCs) or I-cells and form most somatic cell types as well as the germline. However, it is unclear if this cell type is a hydrozoan apomorphy or reflects an ancestral trait of the cnidarians. In this thesis, I therefore aimed to characterize stem cells in the anthozoan Nematostella vectensis, to gain insights about unifying traits of this cell type in Cnidaria. As the well-known hydrozoan model organisms Hydractinia and Hydra, Nematostella is a highly regenerative organism which does not show signs of senescence, suggesting a potent tissue homeostasis system and the presence of adult stem cells. Utilizing single cell RNA sequencing and transgenic reporter lines of the neuronal determination factors and markers soxC, sox2, nanos1, cp1 and klf845 I could show that a neuronal precursor cell (NPC) population exists which forms the somatic lineages of the neuroglandular lineage (cnidocytes, gland cells and neurons), similar to the ISCs of hydrozoans. As most multipotent adult stem cells (ASCs) across metazoans express members of the so-called germline multipotency program (GMP), I therefore generated transgenic reporter lines of the GMP members nanos2 and piwi1. This approach revealed that both genes are expressed in cells featuring an undifferentiated appearance throughout the body of Nematostella, in the descendants of the neuroglandular lineage, the tissues surrounding the gonads, as well as oogonia and spermatogonia. I could show that both genes mark cycling populations, with fast cycling putative precursor cells and slow cycling putative stem cells. Single cell RNA sequencing analysis showed that both genes are expressed in a population of undifferentiated cells as well as in a fraction of each differentiated cell type. A knockout experiment of nanos2 showed that animals lacking this protein possess all somatic cell types but are unable to form gametes. Taken together, my findings suggest that Nematostella maintains a population of multipotent stem cells forming the descendants of the neuroglandular lineage as well as gametes. This stem cell system appears very similar to the ISCs of hydrozoans, suggesting by parsimony that such a stem cell might be ancestral to cnidarians as a whole.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Nematostella vectensis Stammzellen Nanos Piwi Evolution Zelltyp Nematostella
Schlagwörter
(Englisch)
Nematostella vectensis stem cell nanos piwi evolution cell type Nematostella
Autor*innen
Andreas Denner 
Haupttitel (Englisch)
Identification and characterization of a putative stem cell population in Nematostella vectensis
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
134 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Thomas Holstein ,
Celina Juliano
AC Nummer
AC17629425
Utheses ID
75781
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |