Die Rolle des wnt-5a in der Determinierung humaner mesenchymaler Stammzellen zu Preadipozyten

Bilkovski, Roman (2009). Die Rolle des wnt-5a in der Determinierung humaner mesenchymaler Stammzellen zu Preadipozyten. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

In der Pathogenese der Adipositas und des Diabetes mellitus Typ 2 spielt neben der Vergrößerung bestehender Adipozyten auch die Generierung neuer Fettzellen aus undifferenzierten mesenchymalen Vorläuferzellen eine wichtige Rolle. Dieser Prozess, auch Adipogenese genannt, besteht aus zwei Teilschritten, der Determinierung mesenchymaler Stammzellen zu Preadipozyten und der Differenzierung von Preadipozyten zu reifen Adipozyten. Ziel der vorliegenden Arbeit war es zu untersuchen, ob das Signalmolekül wnt-5a eine Rolle in der molekularen Regulation der Determinierung spielt. Dazu wurden humane mesenchymale Stammzellen aus Nabelschnurblutproben und humane Preadipozyten aus Fettgewebebiopsien isoliert. Diese beiden primären Zellpopulationen wiesen eine vergleichbare Morphologie sowie eine übereinstimmende Expression mesenchymaler Zelloberfächenmarker (CD29, CD44, CD73) auf. Allerdings zeigten sich deutliche Unterschiede im Entwicklungspotenzial. Während mesenchymale Stammzellen sowohl zu Adipozyten als auch zu Osteozyten differenziert werden konnten, waren Preadipozyten nur in der Lage sich zu Adipozyten zu entwickeln. Mittels Expressionsanalysen wurde nachgewiesen, dass multipotente Stammzellen signifikant mehr wnt-5a exprimieren als Preadipozyten, was nahe legt, dass dieses Molekül eine wichtige Rolle in der Determinierung spielt. In der Tat führte die Behandlung humaner mesenchymaler Stammzellen mit neutralisierenden anti-wnt-5a Antikörpern zu einer verminderten Osteogenese und einer gesteigerten Adipogenese. Neben diesen loss of function Experimenten zeigten gain of function Untersuchungen mit rekombinatem wnt-5a gegenteilige Effekte hinsichtlich Osteo- und Adipogenese, was die funktionelle Bedeutung dieses Signalmoleküls unterstreicht. Auf molekularer Ebene wurde nachgewiesen, dass wnt-5a den nicht-kanonischen JNK Signalweg in humanen mesenchymalen Stammzellen aktiviert. Die JNK vermittelte wnt-5a Signaltransduktion führte zu einer Aktivierung des Osteopontinpromotors und zu einer gesteigerten Osteopontin Expression. Diese Experimente legen den Schluss nahe, dass wnt-5a zur Aufrechterhaltung des Osteogenesepotentials beiträgt und dass die Inhibierung dieses Signalweges ein wichtiger Mechanismus in der Determinierung multipotenter mesenchymaler Stammzellen zu Preadipozyten beim Menschen ist. Immunhistochemische Untersuchungen an Fettgewebebiopsien zeigten nachfolgend, dass wnt-5a nicht nur von mesenchymalen Vorläuferzellen sondern auch von Makrophagen exprimiert wird, die bei Patienten mit Adipositas vermehrt im Fettgewebe vorzufinden sind. Auf zellulärer Ebene wurde nachgewiesen, dass Makrophagen über die Sekretion von wnt-5a die Adipogenese von mesenchymalen Vorläuferzellen hemmen. Zusammenfassend konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass die proosteogenen Eigenschaften von wnt-5a für die Aufrechterhaltung der Multipotenz mesenchymaler Stammzellen von Bedeutung sind, während die antiadipogenen Effekte von wnt-5a in der Interaktion von Makrophagen und dem Fettgewebe beim Menschen eine funktionelle Relevanz haben.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Role of wnt-5a in the determination of mesenchymal stem cells into preadipocytes	English

Translated abstract:

Abstract

Language

Increasing adipocyte size as well as numbers are important in the pathogenesis of obesity and type 2 diabetes in humans. Adipocytes are generated from mesenchymal precursor cells during the so called adipogenesis. This process consists of two related steps, the determination of multipotent mesenchymal stem cells into preadipocytes and the differentiation of preadipocytes into mature fat cells. While the differentiation is highly investigated, the determination in humans is poorly understood. The aim of the present study was to investigate, if wnt-5a is important in the determination process in humans. Therefore, human multipotent mesenchymal stem cells were isolated from umbilical cord blood and preadipocytes from fat biopsies of human subjects. These two primary cell populations exhibited similar morphology and expression of the mesenchymal surface markers (CD29, CD44, CD73). However, while mesenchymal stem cells were able to differentiate into adipocytes and osteocytes, preadipocytes were only able to undergo adipogenesis. Expression of wnt-5a was significantly higher in mesenchymal stem cells compared to preadipocytes, suggesting that wnt-5a is important to maintain osteogenic potential. Indeed, treatment of mesenchymal stem cells with neutralizing anti-wnt-5a antibodies inhibited osteogenesis and promoted adipogenesis. In agreement to these loss of function experiments, gain of function experiments using recombinant wnt-5a showed inverse effects on osteogenesis and adipogenesis. On a molecular level, wnt-5a was found to promote JNK non-canonical signalling pathway. Activation of this pathway resulted in increased osteopontin promoter activity and expression. These data suggest, that wnt-5a is necessary to maintain osteogenic potential of human mesenchymal stem cells and that down-regulation of wnt-5a expression is an important molecular process in the determination of these cells into preadipocytes. Furthermore, using immunohistochemistry, wnt-5a was also found to be expressed in adipose tissue macrophages. On a cellular level, macrophages were found to inhibit adipogenesis of mesenchymal precursor cells via wnt-5a. In summary, these data suggest, that the proosteogenic capacity of wnt-5a is crucial in maintaining multipotency of human mesenchymal stem cells, while the antiadipogenic effects of wnt-5a are important in the interaction of macrophages and adipose tissue in humans.

English

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