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1 Kapitel Das Differenzierungspotential von Stammzellen Potentialität von Stammzellen Potency Differentiation potential 1

2 Potenzialität von Stammzellen MZ Klassische Ansicht: ein linearer Prozess Somatische Zellen Stammzelle Committed Cell (festgelegte Vorläuferzelle) MZ A B Stammzelle C Pluripotente embryonale Stammzellen (ESCs) können sich zu über 200 verschiedene somatische Zll Zelltypen entwickeln. ikl 2

3 In vivo: Hämatopoetische Stammzellen und ihre Derivate (siehe auch nächste Folei) Figure 5 Transcription factor cross antagonisms in a cascading landscape of unstable and stable cell states. The territory, represented as a mountain range, depicts all possible solutions of a single regulatory network that specifies cell identity. Robust network states correspond to stably differentiated cell types (deep basins in the low lying plains) whereas unstable solutions correspond to ridges and slopes in the landscape. The latter are only fleetingly occupied during development and thus unlikely to correspond to observable cell types. ES cells, embryonic stem cells; HSCs, haematopoietic stem cells. Für den jeweiligen Zelltyp typische Proteine 3

4 Beispiel dafür, dass die Unterscheidung von Stammzelle und Vorläuferzell nicht eindeutig möglich ist. Blutbildende Stammzelle Vorläuferzellen Dingli David, Pacheco JorgeM.. Modeling the architecture and dynamics of hematopoiesis. WIREs Syst Biol Med 2010, 2: doi: /wsbm.56 4

5 Einfaches Modell für die Differenzierung von somatischen Herzstammzellen: CVPC type 3 Cardiovascular progenitor cell type 1 (CVPC type 1) CVPC type 2 etc. Cardiac stem cell Smooth muscleprogenitor cell Cardiomyocyte progenitor cell Endothelial progenitor cell Noch nicht berücksichtigt: Kardiale Fibroblasten EpicardialeZellen ll Reizleitungszellen des Herzens Verschiedenen Typen von Herzmuskelzellen etc. Endothelial cells Cardiomyocytes Smooth musclecells 5

6 Potenzialität von Stammzellen und Vorläuferzellen (in Nischen?) MZ TZ ** festgelegte Vorläuferzelle [Committed (Poised) Cell] * Somatische Zellen Stammzelle Übergangszustand Auch durch Zellfusion * * Plastizität, Transdifferenzierung z.b.: Wundheilung: Myofibroblasten bl ** Andere somatische Zll Zellen ** Reprogrammierung 6

7 Wundheilung: Plastizität / Transdifferentiation Vimentin i (IFs) Smooth muscleactin (SMA) Chou et al. Exp. Cell Res berlin.de/dissertationen/kraemer liv /HTML/Kraemer_html_664dc9ac.gif Fibroblast (fb) Myofibroblast (mfb) 7

8 Beispiele für induzierte Transdiffernzierungen! Aus: Induced pluripotent stem cells and the stability of the differentiated state Alan Colman + & Oliver Dreesen Institute of Medical Biology, Immunos, Singapore 8

9 In need of answers (as of 2009) () (i) What is the molecular l mechanism of reprogramming and what role does each factor have? (ii) How similar il are embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells? Do they have equal differentiation capabilities? YES (iii) Can reprogramming be achieved solely with chemical compounds? Hopefully not (iv) Is epigenetic memory completely erased during reprogramming? NO (v) Could chromatin modifiers such as valproic acid enhance transdifferentiation? YES (vi) Does cell division enhance the ability of a cell to change fate? Aus: Induced pluripotent p stem cells and the stability of the differentiated state Alan Colman + & Oliver Dreesen Institute of Medical Biology, Immunos, Singapore 9

10 Abstufungen der Potenzialität: Totipotenz (Omnipotenz): Zygote, 2 16 Blastomere (siehe Embryoentwicklung) (Oocyten und Spermien???) Pluripotenz: (Oligo )Multipotenz: (Mono ) Unipotenz: ESCs, PGCs, EGCs (Im Gegensatz zu den Maus ESCs, machen Menschen ESCs auch trophektodermale Zellen obwohl sie eher schon dem Primitiven Ectoderm als der Inneren Zellmasse ähnlich hsind.) d) MSCs, HSCs (in vitro und in vivo widersprechende Resultate.) Somatische Zellen ( Impotenz: Seneszenz und Zelltod) Änderung dews Phänotypes natürlich: ülih Plastizität, Transdifferentiation, Redifferenzierung in Vorläuferzellen, Fusionierung n von Zellen künstlich: Reprogrammierung Klonen Klonen (Tachibana et al., 2013) (Takahashi and Yamanaka, 2006; Wernig et al., 2007) 10

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