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The interplay between biochemical and mechanical cues shape the polar trophectoderm
Giovanni Sestini
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium Molecular Biosciences Molekulare Biologie
Betreuer*in
Nicolas Rivron
DOI
10.25365/thesis.80119
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-27019.67146.936744-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Stammzellen werden häufig durch spezialisierte Mikroumgebungen, sogenannte Nischen, unterstützt, die ihre Potenz und ihr Verhalten regulieren. Die Entstehung dieser Nischen beinhaltet ein komplexes Zusammenspiel zwischen biochemischen Signalen und mechanischen Reizen. Im Trophoblasten des präimplantativen Maus-Embryos, dem Gewebe, das für die Embryoimplantation und die Plazentabildung verantwortlich ist, müssen sich Trophektodermzellen entweder differenzieren oder einen stammzellähnlichen Zustand beibehalten. Insbesondere ist die Erhaltung einer undifferenzierten Population im polaren Trophektoderm, der Region, die mit dem Epiblasten in Kontakt steht, von entscheidender Bedeutung. Das Versagen, diesen Vorläuferpool aufrechtzuerhalten, kann die Implantation beeinträchtigen und zu einem Schwangerschaftsverlust führen. Diese Arbeit untersucht, wie biochemische und mechanische Signale zusammenwirken, um die polare Trophektoderm-Nische zu etablieren und zu erhalten. Während die frühe Trophektoderm-Differenzierung hauptsächlich durch verschiedene biochemische Signalwege, insbesondere die FGF/ERK-Signalkaskade, gesteuert wird, zeigen wir, dass zum Zeitpunkt der Implantation eine Verschiebung in der mechanischen Umgebung des Trophektoderms eine dominierende Rolle bei der Erhaltung der Vorläuferzellen im polaren Trophektoderm spielt. Insbesondere schlagen wir vor, dass der mechanosensitive Transkriptionskoaktivator YAP diese mechanischen Signale integriert und die Expression wichtiger Vorläufergene wie Cdx2, Eomes und Esrrb fördert. Um das Zusammenspiel biochemischer und mechanischer Signale bei der Gestaltung der Trophektoderm-Nische zu klären, begann unsere Forschung mit der Untersuchung der Plastizität von TE-Zellen und der Identifizierung der Kombination embryonaler Induktoren, die vom Epiblasten sezerniert werden und ausreichen, um die Identität des mittleren Blastozysten-TE in vivo aufrechtzuerhalten. Anschließend verwendeten wir einen High-Content-Imaging-Ansatz und entwickelten eine maßgeschneiderte Analyse-Pipeline basierend auf der Software CellProfiler, um räumliche und molekulare Merkmale von immunfluoreszenzgefärbten Maus-Embryonen quantitativ zu extrahieren. Dies ermöglichte uns, die Entstehung und räumliche Organisation von TE-Nischen von den präimplantativen bis zu den periimplantativen Stadien mit beispielloser Genauigkeit zu charakterisieren. Um die relativen Beiträge biochemischer und mechanischer Faktoren weiter zu differenzieren, verfolgten wir einen reduktionistischen Ansatz, indem wir Maus-Trophoblast-Stammzellen auf mikropatternierten Substraten kultivierten, die darauf ausgelegt sind, die physiologischen Einschränkungen der TE-Nische nachzuahmen. Diese Methode erlaubte es uns, die Effekte embryonaler Induktoren und mechanischer Signale zu kontrollieren und zu entkoppeln und so klare Einblicke darin zu gewinnen, wie jede Komponente die TE-Differenzierung und die Erhaltung der Vorläuferzellen beeinflusst. Insgesamt zeigen unsere Ergebnisse, dass die Maus-Blastozyste ein feines Gleichgewicht zwischen biochemischen und mechanischen Einflüssen reguliert, um die Bildung und Erhaltung der TE-Nischen sicherzustellen, wodurch die Stammzellhaftigkeit und das richtige Timing der Differenzierung während der frühen Embryogenese gewährleistet werden. Diese integrierte Sicht auf die Regulation der Stammzellnischen verbessert unser Verständnis grundlegender Entwicklungsbiologie-Prozesse, die möglicherweise auch in anderen Systemen, wie beispielsweise beim Menschen, eine Rolle spielen. Darüber hinaus könnten diese Erkenntnisse einen neuen Rahmen für das Verständnis und die Behandlung von Unfruchtbarkeit bieten, insbesondere in Fällen, in denen die Embryoimplantation fehlschlägt.
Abstract
(Englisch)
Stem cells are often supported by specialized microenvironments, or niches, that regulate their potency and behavior. The formation of these niches involves a complex interplay between biochemical signals and mechanical cues. In the trophoblast of the pre-implantation mouse embryo, the tissue responsible for embryo implantation and placenta formation, trophectoderm cells must undergo differentiation or maintain a stem-cell-like state. In particular, preserving an undifferentiated population in the polar trophectoderm, the region in contact with the epiblast, is essential. Failure to maintain this progenitor pool can impair implantation and lead to pregnancy loss. This thesis investigates how biochemical and mechanical signals interact to establish and sustain the polar trophectoderm niche. While early trophectoderm differentiation is primarily driven by a variety of biochemical pathways, especially the FGF/ERK signaling cascade, we show that, at the time of implantation, a shift in the mechanical environment of the trophectoderm plays a dominant role in the maintenance of the progenitors in the polar trophectoderm. In particular, we propose that the mechanosensitive transcriptional co-activator YAP integrates these mechanical cues, promoting the expression of key progenitor genes such as Cdx2, Eomes, and Esrrb. To clarify the interplay between biochemical and mechanical signals in shaping the trophectoderm niche, our research began by exploring the plasticity of TE cells and identifying the combination of embryonic inducers secreted by the epiblast that are sufficient to maintain mid-blastocyst TE identity in vitro. Subsequently, we employed a high-content imaging approach, developing a custom analysis pipeline based on CellProfiler software, to quantitatively extract spatial and molecular features from mouse embryos stained through immunofluorescence. This enabled us to characterize the emergence and spatial organization of the TE niches from pre-implantation to peri-implantation stages with unprecedented detail. To further dissect the relative contributions of biochemical versus mechanical factors, we adopted a reductionist approach by culturing mouse trophoblast stem on micropatterned substrates designed to mimic the physiological constraints of the TE niche. This method allowed us to control and decouple the effects of embryonic inducers and mechanical cues, providing clear insights into how each component influences TE differentiation and progenitor maintenance. Overall, our findings reveal that the mouse blastocyst finely tunes a balance between biochemical and mechanical inputs to regulate the formation and maintenance of the TE niches, ensuring stemness and proper differentiation timing during early embryogenesis. This integrated view of stem cell niche regulation enhances our understanding of fundamental developmental biology processes that could be also at play in other systems, such as in Human. Additionally, these findings could provide a novel framework for understanding and addressing infertility, particularly in those cases in which embryo implantation fails.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Embryologie Blastozyste Entwicklungsbiologie Mouse
Schlagwörter
(Englisch)
Embriology Blastocyst Developmental biology Cell patterning Mechanical forces Mouse
Autor*innen
Giovanni Sestini
Haupttitel (Englisch)
The interplay between biochemical and mechanical cues shape the polar trophectoderm
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
148 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Stephanie Ellis ,
Paulina Latos
Klassifikation
42 Biologie > 42.23 Entwicklungsbiologie
AC Nummer
AC17754675
Utheses ID
77419
Studienkennzahl
UA | 794 | 620 | 490 |