Differential modulation of BMP Signaling by Activin/Nodal and FGF pathways in lineage specification of Human Embryonic Stem Cells

Abstract

Human embryonic stem cells (hESC) can be differentiated into both embryonic and extraembryonic lineages via the modulation of signaling pathways. BMP signalling is known to support differentiation of hESCs into multiple lineages, including trophoblast (TE). It has been shown that that TE formation can be induced in hESCs using BMP4 or BMP2 or SB431542 (a TGFßRI specific inhibitor) or via OCT4 knock down. In our current study we show for the first time that inhibition of FGF signaling in hESCs also supports trophoblast differentiation, inducing hCG secretion. Further, we also show that inhibition of FGF signaling (-FGF), either alone or in conjunction with BMP signaling activation and ACTIVIN/NODAL signaling inhibition (+BMP-TGF-FGF) induces hESC differentiation to non-invasive, epithelial, βhCG hormone secreting multinucleated syncytiotrophoblast. The latter treatment (+BMP-TGF-FGF) induced an accelerated differentiation process. Our results also indicate that BMP signaling activation (+BMP) or an additional inhibition of ACTIVIN/NODAL signaling either with or without exogenous FGF signaling activation (+BMP-TGF or +BMP-TGF+FGF) supports differentiation of hESCs to embryonic mesendoderm and extraembryonic trophoblast lineages, but does not support neurectodermal differentiation. Taken together, the insights from this study can be used to understand early lineage segregation events during embryo development. Further, we can also understand syncytiotrophoblast formation, endocrine functions of placenta, drug metabolism or pathological conditions, which could provide direction for the pre-clinical development of rational therapeutics.

Humane embryonale Stammzellen (hESC) können durch die Modulation von Signaltransduktionskaskaden sowohl in die embryonale als auch in die extraembryonale Linie differenziert werden. Die BMP- Signaltransduktionskaskaden sind bekannt dafür, eine unterstützende Wirkung auf die Differenzierung der hESCs in multiple Linien auszuüben, einschließlich der Differenzierung in Trophoblast (TE). Es konnte gezeigt werden, dass die TE Bildung aus hESCs durch BMP4, BMP2, SB431542 (einem spezifischen TGFßRI Inhibitor) oder mittels eines OCT4-Knock-Downs induziert werden kann. In der vorliegenden Studie zeigen wir erstmalig, dass die Inhibition der FGF- Signaltransduktion die Trophoblastdifferenzierung mit anschließender hCG Sekretion fördert. Zudem zeigen wir, dass die Inhibition der FGF- Signaltransduktion (-FGF) allein oder in Kombination mit einer Aktivierung der BMP-Signaltransduktion bei gleichzeitiger ACTIVIN/NODAL Inhibition (+BMP-TGF- FGF) die Differenzierung von hESCs in nicht-invasive, ßhCG-Hormon sezernierende, multinukleäre Synzytiotrophoblasten induziert. Die Wirkung der letztgenannten, kombinierten Behandlung (+BMP-TGF-FGF) von hESC ist dabei besonders effizient. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Aktivierung der BMPSignaltransduktion (+BMP) oder eine zusätzliche Inhibition der ACTIVIN/NODALSignaltransduktion, entweder mit oder ohne gleichzeitiger Aktivierung der FGFSignaltransduktion (+BMP-TGF oder +BMP-TGF+FGF), die Differenzierung der hESCs in Richtung embryonales Mesoderm und extraembryonalem Trophoblast unterstützt, nicht aber die des Neuroectoderms. Zusammengenommen können die Erkenntnisse dieser Studie helfen die Ereignisse der frühen Keimblatt- oder Liniensegregation der Embryogenese zu verstehen. Außerdem können wir die Bildung der Synzytiotrophoblasten, die endokrine Funktion und den Wirkstoffmetabolismus der Plazenta sowie pathologische Umstände verstehen lernen und somit die Entwicklung prä-klinischer Therapien vorantreiben.