title: An alternative mechanism to form an organizing center in mouse neural tube organoids
Creators: name: Krammer, Teresa
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Die Embryonalentwicklung ist ein komplexer Prozess, der durch die Integration streng regulierter mechanischer und über Signalwege übertragender Faktoren gesteuert wird. Das Neuralrohr, welches der Vorläufer des zentralen Nervensystems in Wirbeltieren ist, ist ein herausragendes Beispiel für die embryonale Induzierung und Regionalisierung. Es erfordert die Etablierung von zwei gegenüberliegenden Signalzentren, welche die neuralen Vorläuferzellen im Neuralrohr richtig regionalisieren, was zur Entstehung verschiedener neuronaler Zelltypen führt. Das ventrale Signalzentrum, die Bodenplatte, bildet sich typischerweise durch lokale Signale, die vom darunter liegenden Notochord, einer mesodermalen stäbchenartigen Struktur, empfangen werden. Neuralrohrorganoide, die in vitro aus pluripotenten Stammzellen gebildet werden, können jedoch durch Selbstorganisation eine voll funktionsfähige Bodenplatte entwickeln, unabhängig von externen Strukturen, wie dem Notochord. Eine zentrale Herausforderung in der Biologie besteht darin, zu verstehen, wie Stammzellen solche regulatorischen Organisatoren bilden. Diese Dissertation fokussiert sich auf die Verwendung von Neuralrohrorganoiden zur Untersuchung der Mechanismen, die dieser Notochord-unabhängigen Selbstorganisation der Bodenplatte zugrunde liegen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die umfangreiche Charakterisierung der Neuralrohrorganoid-Bildung, Erkenntnisse über deren Epithelialisierung, die neurale Differenzierung und die Induktion dorsoventraler Regionalisierung behandelt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird dieses Wissen genutzt, um zu untersuchen, wie die Selbstorganisation einer funktionellen Bodenplatte nach einem Retinolsäure-Puls in Neuralrohrorganoiden erfolgt. Zunächst werden FOXA2-positive Bodenplattenzellen zufällig im Neuralrohrorganoid verteilt exprimiert, anschließend konzentrieren sie sich zu mehreren Clustern, die miteinander kommunizieren, konkurieren und sich aufgrund physischer Merkmale sortieren, bevor sie eine endgültige, vollfunktionale Bodenplatte bilden. Durch eine Kombination aus Sequenzierung, Wirkstoffscreening und Lokalisierung der Signalwege wurden diffundierende Moleküle des BMP-Signalwegs identifiziert, die diesen Wettbewerb zwischen den Clustern über weite Strecken steuern. Darüber hinaus wurde durch die Mutation des BMP-Inhibitors Noggin die Bildung der Bodenplatte sowohl in den Neuralrohrorganoiden als auch in der Mittel- und Hinterhirnregion von Mausembryonen gestört, was auf redundante Mechanismen für Robustheit hindeutet. Diese Arbeit erklärt den Mechanismus, durch den ein globaler Retinolsäure-Puls zu einer einzigen Bodenplatte pro Organoid durch Wettbewerb innerhalb der Cluster führt. Darüber hinaus unterstreicht sie die Wichtigkeit Mechanismen zu definieren, welche die Selbstorganisation von Organisatoren steuern, um die Entwicklungsplastizität von Stammzellen für Tissue Engineering zu nutzen.
description: The development of the embryo is a complex process orchestrated by the integration of tightly regulated mechanical as well as signaling cues. The neural tube, which is the precursor to the central nervous system (CNS) in vertebrates, has been a hallmark example of embryonic induction and patterning. It requires the establishment of two opposing signaling centers that correctly pattern the progenitor cells in the neural tube, leading to the generation of diverse neuronal cell types. The ventral signaling center, the floorplate, typically forms through local signals received from the underlying notochord, a mesodermal rod-like structure. However, neural tube organoids (NTOs) formed in vitro from pluripotent stem cells, can develop a fully functional floorplate through self-organization, independent of external structures like the notochord that provide spatial information. A key challenge in biology is to understand how stem cells form such regulatory organizers. This dissertation focuses on using NTOs to investigate the mechanisms underlying this notochord-independent floorplate self-organization. The first part of this work focusses on in-depth characterization of NTO formation, which gives knowledge of epithelialization, neural differentiation and dorsoventral pattern induction. In the second part of this work, this knowledge is applied to study how self-organization of a functional floorplate after a single global pulse of the signaling molecule retinoic acid (RA) occurs in NTOs. Initially, Forkhead box protein A2 (FOXA2)-positive (FOXA2+) floorplate cells start to be expressed in a spatially scattered manner, which then condense into multiple clusters that undergo competition and physical sorting before resulting in a final floorplate. Using a combination of sequencing, drug screening and pathway localization, diffusible molecules of the Bone morphogenetic protein (BMP) pathway were identified to govern long-range cluster competition. Additionally, mutating the BMP inhibitor Noggin disrupted floorplate formation in both, NTOs and the mid-hindbrain region of mouse embryos, suggesting redundant mechanisms for robustness. This work shows the mechanism by which a global RA pulse results in a single floorplate per organoid through inter-cluster competition. Furthermore, it highlights that defining mechanisms directing organizer self-organization is critical in exploiting the developmental plasticity of stem cells for directed tissue engineering.