Der Wnt/β-Catenin-Signalweg in humanen mesenchymalen Stammzellen

Humane mesenchymale Stammzellen (hMSC) haben in den vergangenen
Jahren auf-grund ihres potenziellen Einsatzes in der regenerativen
Medizin sowie in der Prävention und Behandlung diverser Krankheiten
ein großes wissenschaftliches Interesse geweckt. Einen wichtigen
Aspekt stellt in diesem Zusammenhang die Regulation von
Stammzell-funktionen durch Signalwege wie beispielsweise den
Wnt/β-Catenin-Signaltransduk-tionsweg dar. Während am Signalweg
beteiligte Komponenten und Teilfunktionen bereits beschrieben sind,
existieren bezüglich der Initiation der Signaltransduktion an der
Zelloberfläche auf Rezeptorebene lediglich rudimentäre Kenntnisse.
Vor diesem Hintergrund wurde in dieser Arbeit die molekulare
Funktion der Wnt-Ko-rezeptoren LRP5 und LRP6 (low-density
lipoprotein receptor-related protein) im Wnt/β-Catenin-Signalweg
von hMSC genauer untersucht. Für die spezifische Quantifizierung
β-Catenin-abhängiger Transkriptionsprozesse wurde zunächst ein
TCF/LEF-Reportergen-System in hMSC etabliert. In diesem System
erfolgt die Expression des Reporterproteins erst nach Translokation
von β-Catenin in den Zellkern und dessen Assoziation mit
Transkriptionsfaktoren der TCF/LEF-Familie. Im Vergleich mit dem
konventionellen TOP/FOP-Flash-Reportergen-System zeigte das
TCF/LEF-Reportergen-System eine deutlich höhere Sensitivität.
Mittels vergleichender Studien zur molekularen Funktion von LRP5
und LRP6, die neben der RNA-Interferenz (RNAi)-basierten
Technologie auch Überexpressionsstudien und Rescue-Experimente
beinhalteten, konnte eindeutig gezeigt werden, dass LRP6 eine
entscheidende Rolle in der β-Catenin-vermittelten
Signaltransduktion von hMSC übernimmt. Nach Applikation von Wnt-3a
führte RNAi gegen LRP6 zu einer starken Ab-nahme der
Wnt/β-Catenin-Signaltransduktion, wohingegen der Knockdown von LRP5
keine Veränderung zeigte. In einem umgekehrten Ansatz resultierte
die Überexpression von LRP6 in einer starken Aktivierung des
Wnt/β-Catenin-Weges, während die Über-expression von LRP5 keinen
nachhaltigen Einfluss zeigte. Darüber hinaus führte in LRP6
-Knockdown-hMSC die Überexpression von LRP6 – jedoch nicht die von
LRP5 – zur Rekonstitution der Wnt-3a-induzierten,
β-Catenin-vermittelten Signaltransduktion. Diese Daten weisen LRP6
als den Hauptrezeptor für die Wnt-3a/β-Catenin-vermittelte
Signaltransduktion in hMSC aus, wobei diese Funktion nicht durch
LRP5 ersetzt werden kann. Da der Wnt/β-Catenin-Signalweg eng mit
Differenzierungsprozessen assoziiert ist, wurde in diesem Kontext
die Bedeutung der Wnt-Korezeptoren in hMSC evaluiert. Nach
Knockdown von LRP6 war eine Differenzierung in die adipogene
Richtung zu beobachten, die mit der Bildung fettähnlicher Vakuolen
und einer erhöhten Expression des Transkriptionsfaktors PPAR-γ
(Peroxisom-Proliferator-aktivierter Rezeptor-γ) assoziiert war.
Unter dem Einsatz adipogener Zusätze konnte die Differenzierung von
LRP6-Knockdown-hMSC in fettähnliche Zellen weiter verstärkt werden,
was mit einer deutlich gesteigerten Akkumulation von Fettvakuolen
sowie einer weiteren Erhöhung der PPAR-γ Expression einherging.
Interessanterweise resultierte die Überexpression von LRP6 in
diesen fettähnlichen Zellen in einer Zunahme der
Wnt/β-Catenin-Signaltransduktion mit einer gleichzeitigen Abnahme
der Expression von PPAR-γ. Zusammenfassend zeigen diese
Erkenntnisse, dass LRP6 nicht nur in der Wnt-3a-induzierten,
β-Catenin-vermittelten Signaltransduktion von hMSC eine tragende
Rolle spielt, sondern auch für die Suppression der Differenzierung
von hMSC in die adipogene Linie und damit für die Aufrechterhaltung
des Stammzellcharakters entscheidend ist. Somit stellt der
Wnt-Korezeptor LRP6 ein vielversprechendes Ziel zur therapeutischen
Manipulation von hMSC in zukünftigen klinischen Anwendungen, wie
z.B. der regenerativen und präventiven Medizin, dar.