title: Use of embryonic and extra-embryonic stem cells to infer the signalling interactions directing differentiation and morphogenesis during implantation stages
Creators: name: Holzmann, Viktoria
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Die Entwicklung eines komplexen multizellulären Organismus aus einer einzigen befruchteten Zelle erfordert Differenzierung und Morphogenese. Beide Prozesse werden durch eine Vielzahl von Signalen gesteuert, die häufig aus Interaktionen zwischen den sich entwickelnden Geweben hervorgehen. Während der Einnistung in die Gebärmutter von Säugetieren kommt es zu solchen Interaktionen zwischen dem embryonalen Epiblast sowie dem extraembryonalen primitiven Endoderm und Trophektoderm. Unsere Kenntnisse über die spezifischen Signale, die zwischen diesen Geweben ausgetauscht werden und den Übergang von der Prä- zur Postimplantationsphase steuern, sind jedoch noch unvollständig. Dies liegt auch an den Schwierigkeiten, die mit der Untersuchung von Säugetierembryonen verbunden sind, da diese während ihrer Entwicklung in der Gebärmutter unzugänglich sind. Alternativ dazu sind Stammzellen, die sowohl aus embryonalen als auch extraembryonalen Linien des Konzeptus stammen, zu wertvollen Instrumenten für die Untersuchung der Signalwege geworden, die an der Differenzierung der Linien beteiligt sind. In den letzten zehn Jahren wurden diese Zellen zunehmend zur Erzeugung von Embryoiden verwendet, d. h. von stammzellbasierten Modellen, die Aspekte der Differenzierung und Morphogenese in vitro nachbilden. „Embryoids“ können durch die Kombination von embryonalen und extraembryonalen Stammzellen gebildet werden und bieten so wertvolle Einblicke in die Interaktionen zwischen ihnen. Dennoch müssen die derzeitigen Kulturbedingungen für Stammzellen und die Protokolle für Embryoids weiter verfeinert werden, um den Embryo in bestimmten Entwicklungsstadien genau nachzubilden. Die Identifizierung der Signale, die zwischen embryonalen und extraembryonalen Zelllinien ausgetauscht werden, um deren Entwicklungsfortschritt zu steuern, kann uns Aufschluss über die Signalanforderungen ihrer in vitro Gegenstücke geben. Die Verbesserung der Übereinstimmung von Stammzellen mit ihren in vivo Pendants sollte dann wiederum derzeitige Embryomodelle verbessern und eine größere Zuverlässigkeit der mit ihnen erzielten Ergebnisse gewährleisten. In dieser Doktorarbeit wurden embryonale und extraembryonale Stammzelllinien in drei Projekten verwendet, wobei jedes Projekt eigene Schwerpunkte in Bezug auf das Verständnis des Entwicklungsverlaufs embryonaler und extraembryonaler Linien während der Implantation setzte. Die Ergebnisse dieser Projekte werden mit Blick auf zwei übergreifende Themen diskutiert. Erstens, den Beitrag zur Weiterentwicklung integrierter embryonaler Modelle, die embryonale und extraembryonale Gewebe während der Implantationsstadien nachbilden. Zweitens, die Fortschritte im Verständnis der Kulturanforderungen von extraembryonalen Stammzellen. Insbesondere trugen die hier vorgestellten Arbeiten dazu bei, die Kulturbedingungen für Trophoblasten-Stammzellen zu verfeinern, was Blastoidmodelle verbessern konnte. Darüber hinaus wurden neue stammzellbasierte Modelle für die gleichzeitige Entwicklung von primitivem Endoderm und Epiblast erstellt. Schließlich nutzte ich öffentlich zugängliche Ressourcen, um Signalinteraktionen zwischen Epiblast, primitivem Endoderm und Trophektoderm zu Beginn der Implantation in silico vorherzusagen. Die anschließende Untersuchung der vorhergesagten Signalinteraktionen ergab eine bisher unbeschriebene Rolle des Wnt-Signalwegs für die Erhaltung der Stammzellen des extraembryonalen primitiven Endoderms in einem undifferenzierten Zustand. Insgesamt erweitert diese Arbeit unser Repertoire an Embroymodellen zur Untersuchung der Entwicklung während der Implantation und bringt Fortschritte hinsichtlich der Kulturbedingungen für extraembryonale Stammzellen.
description: The development of a complex multicellular organism from a single fertilised cell necessitates differentiation and morphogenesis. Both processes are guided by a variety of signalling cues, often arising from interactions between developing tissues. During uterine implantation in mammals, such interactions occur between the embryonic epiblast as well as the extra-embryonic primitive endoderm and trophectoderm. However, our understanding of the specific signals exchanged between these tissues that drive their transition from pre- to post-implantation stages remains incomplete. This is also due to the inherent challenges associated with studying mammalian embryos, as they are concealed within the uterus during development. Alternatively, stem cells derived from both embryonic and extra-embryonic lineages of the conceptus have become invaluable tools for investigating the signalling pathways involved in lineage differentiation. Over the past decade, there has been increasing use of these cells to generate embryoids, which are stem cell-based models replicating aspects of differentiation and morphogenesis in vitro. Embryoids can be formed by combining embryonic and extra-embryonic stem cells, thereby offering valuable insights into the interactions between them. Nevertheless, current stem cell culture conditions and embryoid protocols require further refinement to accurately mimic the embryo at defined developmental stages. Arguably, identifying the signals exchanged between embryonic and extra-embryonic lineages directing their developmental progression can inform us about the signalling requirements of their in vitro equivalents. Enhancing the fidelity of stem cells to their in vivo counterparts should then again improve current embryoid models, ensuring greater reliability in the results obtained from them. In this PhD thesis, embryonic and extra-embryonic stem cell lines were utilised across three projects, each with its own objectives related to understanding the developmental progression of embryonic and extra-embryonic lineages during implantation. The results of these projects will be discussed focusing on two overarching themes. Firstly, the contribution to advancing integrated embryoid models that mimic embryonic and extra-embryonic tissues during implantation stages. Secondly, the progress made in understanding the culture requirements of extra-embryonic stem cells. Specifically, the work presented here contributed to refining trophoblast stem cell culture conditions, which could enhance blastoid models. Additionally, novel stem cell-based models of primitive endoderm and epiblast co-development were established. Finally, I used publicly available resources to predict signalling interactions between epiblast, primitive endoderm, and trophectoderm at the onset of implantation in silico. Subsequent investigation of predicted signalling interactions revealed a previously undescribed role of Wnt signalling in maintaining stem cells of the extra-embryonic primitive endoderm in an undifferentiated state. Collectively, this work expands our toolkit of embryoid models for studying development during implantation and makes advancements in the culture conditions of extra-embryonic stem cells.