Untersuchung der embryonalen Muskelentwicklung und der Regeneration adulter Skelettmuskeln in der Maus

Abstract

Die Entwicklung und Regeneration der Skelettmuskulatur basieren auf ähnlichen Prinzipien, zeigen aber auch diverse Unterschiede. In der vorliegenden Promotionsarbeit wurde der Beitrag unterschiedlicher Zellpopulationen zur Entwicklung der Skelettmuskulatur sowie die Funktion von Proteinen, welche bei der asymmetrischen Zellteilung von Muskelstammzellen involviert sind, untersucht. Die Entstehung von Vorläuferzellen der Skelettmuskulatur ist durch die Expression der myogenen Faktoren Myf5 und MyoD reguliert. Anhand bisheriger Arbeiten ist bekannt, dass die Anwesenheit mindestens einer dieser Faktoren für eine normale Muskelentwicklung notwendig ist. Bis zur Anfertigung dieser Arbeit war unklar, ob kompensatorische Aktivitäten dieser Faktoren innerhalb derselben oder von zwei unabhängigen Zellpopulationen erfolgen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein konditionales Zellablationsmodell in der Maus verwendet, das gezielt Myf5-exprimierende Zellen aus dem Gewebeverband der frühen entwickelnden Muskulatur entfernt. Die Analyse Myf5-defizienter Mausembryonen ergab eine verzögerte MyoD Expression in Muskelvorläuferzellen und eine weitgehend normal entwickelte Skelettmuskulatur in späteren Embryonalstadien. Damit konnte hier erstmalig gezeigt werden, dass mindestens zwei autonome Zellpopulationen an der Entstehung von Skelettmuskelvorläuferzellen beteiligt sind. Der Verlust von differenzierten Muskelfasern nach Ablation von Myogenin-exprimierenden Zellen zeigt, dass Myogenin als Differenzierungsmarker in allen myogenen Zellpopulationen essentiell ist und der Verlust nicht kompensiert werden kann. Neben der Bereitstellung von myogenen Vorläuferzellen ist die Kontrolle der Selbsterneuerung dieser Zellen von großer Bedeutung. Ein Kandidat für die Regulation dieser Prozesse ist das zytoplasmatische Protein Numb. Die konditionale genetische Deletion von Numb in Myf5-exprimierenden Muskelzellen in der Maus führte zu einer Reduktion der Muskelstammzellen (Satellitenzellen) in juvenilen Tieren. Der Verlust von Numb in primären Satellitenzellen wie auch in der C2C12 Myoblastenvorläuferzelllinie führte zu einem verminderten Differenzierungsverhalten der Zellen. Gleichzeitig konnte eine erhöhte Proliferationsrate von Numb-defizienten Satellitenzellen nachgewiesen werden. Dies weist darauf hin, dass Numb an der Regulation von myogenen Proliferationsprozessen beteiligt ist und hierbei das Gleichgewicht zwischen dem Erhalt des Stammzellcharakters und der myogenen Differenzierung reguliert. The development and regeneration of skeletal muscles is based on similar principles, but also show some differences. This study investigated both the contribution of different cell populations during skeletal muscle development and the function of proteins that are involved in asymmetric cell division of muscle stem cells. The development of skeletal muscle progenitor cells is determined by the expression of the two myogenic factors, Myf5 and MyoD. Previous studies have demonstrated that these myogenic factors play functionally overlapping roles and at least one of these factors is required for a normal skeletal muscle formation. However, at present, it is unclear whether Myf5 and MyoD substitute for each other within the same cell lineage or whether each factor determines a distinct muscle cell population. Using an in vivo conditional cell ablation approach to erase all Myf5-expressing muscle progenitor cells during early embryogenesis, a delayed expression of MyoD in myogenic cells was observed although skeletal muscle formation was not perturbed. These results show that two autonomous cell populations are directly involved in the development of skeletal muscle progenitor cells. In contrast, ablation of myogenin-expressing cells causes a loss of all differentiated muscle cells demonstrating that myogenin is an essential differentiation marker for all myogenic cell populations that cannot be compensated by other myogenic factors. Beside the provision of muscle precursor cells, it is of major importance to ensure that a stem cell population is maintained in the adult skeletal muscles. The cytoplasmic protein Numb is a potential regulator in the process of stem cell self-renewal. Conditional genetic inactivation of Numb in Myf5-expressing muscle cells revealed a reduced number of muscle stem cells (satellite cells) in juvenile mice. Loss of Numb in satellite cells as well as knockdown of the protein in C2C12 myoblasts was accompanied by impaired myogenic differentiation and an increased proliferation activity. These results indicate that Numb regulates aspects of the myogenic program such as proliferation and the balance between myogenic differentiation and self-renewal.