Universität zu Köln

Allmeroth, Kira ORCID: 0000-0002-2659-6776 (2020). Metabolic control of hair follicle stem cell fate decisions. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Aging is the main risk factor for the manifestation of numerous serious diseases, including cancer, cardiovascular diseases and neurodegeneration. Thus, the growing proportion of elderly people in the population poses a major challenge to the health care systems worldwide. Tissue homeostasis declines with age and its maintenance late in life has been intimately linked to prolonged healthspan. Stem cells act as drivers of tissue homeostasis through the interplay of self-renewal and differentiation. Therefore, it is of utmost importance to identify stem cell fate determinants to be able to delay stem cell exhaustion in the elderly. Of note, metabolic changes have been described to influence function and maintenance of stem cell populations. However, whether manipulation of metabolism affects cell fate decisions and stem cell maintenance remains poorly understood. Here, I focus on three metabolic pathways that have been described to become dysregulated with age, and to affect stemness: the hexosamine pathway (HP), aerobic sugar metabolism, and the polyamine metabolism. I assess their influence on cell fate decisions in an in vitro organoid culture system, which allows for the manipulation of hair follicle stem cells (HFSCs) and their direct progeny. First, I activate the HP by GlcNAc supplementation and through genetic manipulation of the rate-limiting enzyme GFAT1. While pathway flux and downstream metabolites increase, HFSC fate is not affected by these interventions. Second, I investigate the effect of sugar supplementation on cell fate decisions. Both, D-glucose and D-mannose, enhance stemness. While D-glucose supplementation boosts glycolysis, D-mannose addition specifically increases the acetylated polyamines N1-acetylspermidine (N1-AcSpd) and N1-acetylspermine without elevating glycolytic flux. Third, I elucidate how polyamine levels influence cell fate decisions. I confirm that low translation rates mark the stem cell state and that a forced decrease in translation is sufficient to elevate stemness. Surprisingly, I demonstrate that reducing translation by changes in polyamine availability does not correlate with increased stemness in the organoids. I identify N1-AcSpd as novel regulator of HFSC fate decisions, accelerating cell cycle progression. Finally, I demonstrate that HFSC activation by depilation results in an elevation of the acetylated polyamines, suggesting a functional role of N1-AcSpd in cell fate decisions in vivo. Overall, my results suggest that manipulation of metabolism is an effective means to control cell fate decisions, delay stem cell exhaustion, and improve tissue homeostasis in the elderly.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Das Altern ist der größte Risikofaktor für das Auftreten vieler ernsthafter Erkrankungen wie Krebs, Herz-Kreislauf-, sowie neurodegenerativer Erkrankungen. Deshalb stellt der wachsende Anteil der älteren Menschen in der Bevölkerung eine große Herausforderung für die Gesundheitssysteme weltweit dar. Die Homöostase der einzelnen Gewebe wird im Alter schlechter und ihre Erhaltung ist eng mit der Verlängerung der gesunden Lebenszeit verknüpft. Stammzellen erhalten die Homöostase durch das Wechselspiel von Erneuerung und Differenzierung. Deshalb ist es von höchster Wichtigkeit, Faktoren, die das Verhalten der Stammzellen bestimmen, zu identifizieren, um letztendlich die Erschöpfung der Stammzellfunktion bei älteren Menschen zu verlangsamen. Es ist bekannt, dass metabolische Veränderungen die Funktion und die Erhaltung von Stammzellpopulationen beeinflussen können. Ob die Manipulation des Metabolismus aber kausal das Verhalten der Stammzellen bestimmen kann, ist noch nicht vollständig verstanden. In dieser Arbeit fokussiere ich mich auf drei Stoffwechselwege, deren Regulation im Alter verloren geht und die bereits mit verbesserter Stammzellfunktion in Verbindung gebracht wurden: der Hexosamin-Syntheseweg (HSW), der aerobische Zuckermetabolimus, und der Polyamin-Syntheseweg (PSW). Ich teste den Einfluss dieser Stoffwechselwege auf das Verhalten von Stammzellen des Haarfollikels in einem Organoid-Kultursystem, das die einfache Manipulation dieser Stammzellen ermöglicht. Zuerst aktiviere ich den HSW durch GlcNAc Gabe oder durch genetische Veränderung des Reaktionsgeschwindigkeits-bestimmenden Enzyms GFAT1. Obwohl die Menge der Endprodukte des HSW erhöht ist, wird das Verhalten der Stammzellen nicht verändert. Zweitens beobachte ich den Einfluss von Zuckerzugabe auf das Verhalten der Stammzellen. Glukose und Mannose erhöhen die Anzahl der Stammzellen. Während Glukose Glykolyse steigert, führt Zugabe von Mannose zu einer spezifischen Anreicherung der acetylierten Polyamine N1 Acetylspermidin (N1 AcSpd) und N1 Acetylspermin. Drittens kläre ich auf, wie der PSW das Verhalten der Stammzellen beeinflusst. Ich bestätige, dass Stammzellen geringe Translation zeigen und dass eine erzwungene Minderung der Proteinsynthese ausreicht, um die Stammzellfunktion zu erhöhen. Überraschenderweise zeige ich, dass eine Reduktion der Translation durch eine Veränderung in der Verfügbarkeit der Polyamine nicht mit erhöhter Stammzellfunktion in dem Organoid-Kultursystem korreliert. Ich identifiziere N1 AcSpd als neuen Regulator, der das Verhalten von Stammzellen durch erhöhtes Fortschreiten des Zellzyklus beeinflusst. Abschließend zeige ich, dass die Aktivierung von Stammzellen des Haarfollikels durch Depilation zu einer Erhöhung der acetylierten Polyamine führt, was eine funktionale Rolle von N1-AcSpd in der Regulation des Verhaltens der Stammzellen in vivo suggeriert. Insgesamt deuten meine Ergebnisse darauf hin, dass die Manipulation verschiedener Stoffwechselwege das Verhalten von Stammzellen beeinflussen, die Erschöpfung der Stammzellfunktion verlangsamen und die Homöostase der verschiedenen Gewebe bei älteren Menschen verbessern kann. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Allmeroth, Kira kiraallmeroth@hotmail.de orcid.org/0000-0002-2659-6776 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-526649
Date:	2020
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Biology of Ageing
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language hair follicle stem cells English mRNA translation English polyamines English cell fate English
Date of oral exam:	24 February 2021
Referee:	Name Academic Title Denzel, Martin Dr. Uhlirova, Mirka Prof. Dr. Baumann, Ulrich Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/52664