Modulação da diferenciação neural de células troco embrionárias por transientes de cálcio intracelulares: papéis dos receptores purinérgicos e de canais de cálcio voltagem-dependentes / Modulation of neural embryonic stem cell differentiation by intracellular Ca2+ oscillations. Roles of purinergic receptors and voltage gated Ca2+ channels

Receptores purinérgicos e canais de cálcio voltagem-dependentes estão envolvidos em diversos processos biológicos como na gastrulação, durante o desenvolvimento embrionário, e na diferenciação neural. Quando ativados, canais de cálcio voltagem-dependentes e receptores purinérgicos do tipo P2, ativados por nucleotídeos, desencadeiam transientes de cálcio intracelulares controlando diversos processos biológicos. Neste trabalho, nós estudamos a participação de canais de cálcio voltagem-dependentes e receptores do tipo P2 na geração de transientes de cálcio espontâneos e sua regulação na expressão de fatores de transcrição relacionados com a neurogênese utilizando como modelo células tronco (CTE) induzidas à diferenciação em células tronco neurais (NSC) com ácido retinóico. Descrevemos que CTE indiferenciadas podem ter a proliferação acelerada pela ativação de receptores P2X7, enquanto que a expressão e a atividade desse receptor precisam ser inibidas para o progresso da diferenciação em neuroblasto. Além disso, ao longo da diferenciação neural, por análise em tempo real dos níveis de cálcio intracelular livre identificamos 3 padrões de oscilações espontâneas de cálcio (onda, pico e unique), e mostramos que ondas e picos tiveram a frequência e amplitude aumentadas conforme o andamento da diferenciação. Células tratadas com o inibidor do receptor de inositol 1,4,5-trifosfato (IP3R), Xestospongin C, apresentaram picos mas não ondas, indicando que ondas dependem exclusivamente de cálcio oriundo do retículo endoplasmático pela ativação de IP3R. NSC de telencéfalo de embrião de camundongos transgênicos ou pré-diferenciadas de CTE tratadas com Bz-ATP, o agonista do receptor P2X7, e com 2SUTP, agonista de P2Y2 e P2Y4, aumentaram a frequência e a amplitude das oscilações espontâneas de cálcio do tipo pico. Dados, obtidos por microscopia de luminescência, da expressão em tempo real de gene repórter luciferase fusionado à Mash1 e Ngn2 revelou que a ativação dos receptores P2Y2/P2Y4 aumentou a expressão estável de Mash1 enquanto que ativação do receptor P2X7 levou ao aumento de Ngn2. Além disso, células na presença do quelante de cálcio extracelular (EGTA) ou do depletor dos estoques intracelulares de cálcio do retículo endoplasmático (thapsigargin) apresentaram redução na expressão de Mash1 e Ngn2, indicando que ambos são regulados pela sinalização de cálcio. A investigação dos canais de cálcio voltagem-dependentes demonstrou que o influxo de cálcio gerado por despolarização da membrana de NSC diferenciadas de CTE é decorrente da ativação de canais de cálcio voltagem-dependentes do tipo L. Além disso, esse influxo pode controlar o destino celular por estabilizar expressão de Mash1 e induzir a diferenciação neuronal por fosforilação e translocação do fator de transcrição CREB. Esses dados sugerem que os receptores P2X7, P2Y2, P2Y4 e canais de cálcio voltagem-dependentes do tipo L podem modular as oscilações espontâneas de cálcio durante a diferenciação neural e consequentemente alteram o padrão de expressão de Mash1 e Ngn2 favorecendo a decisão do destino celular neuronal

Purinergic receptors and voltage gated Ca2+ channels have been attributed with developmental functions including gastrulation and neural differentiation. Upon activation, nucleotide-activated P2 purinergic receptor and voltage-gated Ca2+ channel subtypes trigger intracellular calcium transients controlling cellular processes. Here, we studied the participation of voltage-gated calcium channels and P2 receptor activity in spontaneous calcium transients and consequent regulation expression of transcription factors related to retinoic acid-induced neurogenesis of mouse neural stem and embryonic stem cells (ESC). In embryonic pluripotent stem cells, proliferation is accelerated by P2X7 receptor activation, while receptor expression / activity needs to be down-regulated for the progress of neuroblast differentiation. Moreover, along neural differentiation time lapse imaging with means of a cytosolic calcium-sensitive fluorescent probe provided different patterns of spontaneous calcium transients (waves and spikes) showing that both, frequency and amplitude increased along differentiation. Cells treated with the inositol 1,4,5-trisphosphate receptor (IP3R) inhibitor Xestospongin C showed spikes but not waves, indicating that waves exclusively depended on calcium release from endoplasmic reticulum by IP3R activation. Cells treated with the P2X7 receptor subtype agonist Bz-ATP and the P2Y2 and P2Y4 receptor 2-S-UTP increased frequency and amplitudes of calcium transients, mainly spikes, in embryonic telencephalon neural stem cells (NSC) and NSC pre-differentiated from ESC. Data obtained by luminescence time lapse imaging of stable transfected cells with Mash1 or Ngn2 promoter-protein fusion to luciferase reporter construct revealed increased Mash1 expression due to activation of P2Y2/P2Y4 receptor subtypes, while increased expression of Ngn2 was observed following P2X7 receptor activation. In addition, cells imaged in presence of the extracellular calcium chelator EGTA or following endoplasmic reticulum calcium store depletion by thapsigargin showed a decrease in Mash1 and Ngn2 expression, indicating that both are regulated by calcium signaling. Investigation of the roles of voltage gated Ca2+ channels in neural differentiation showed that Ca2+ influx in NSC pre-differentiated from ESC is due to membrane depolarization and L-type voltage gated Ca2+ channel activation, thereby controlling cell fate decision, by stabilizing the expression of MASH1 and inducing differentiation, by phosphorylation of the transcription factor CREB. Altogether these data suggest that P2X7, P2Y2, P2Y4 receptors and L-type voltage gated Ca2+ channels can modulate spontaneous calcium oscillations during neural differentiation and consequently change the Mash1 and Ngn2 expression patterns, thus favoring the cell fate decision to the neuronal phenotype

La translocación in vitro citoplasma/núcleo del factor de transcripción embrionario oct-4 en células perivasculares propone a la aorta como un nicho quiescente de células madres adultas / In vitro translocation cytoplasm/nucleus of embryonic transcription factor oct-4 in perivascular cells suggests that aorta as a niche of quiescent adult stem cells

Las células perivasculares tienen un origen común en las células madre embrionarias y en los vasos sanguíneos que proporcionan un nicho para la mantención de su troncalidad. La expresión de marcadores embrionarios y de células indiferenciadas, como también la gran variedad de fenotipos celulares generados desde los pericitos, podrían ser explicados por la capacidad de estas células de ser inducidas a un estado "stemness" cuando son tratadas con factores adecuados. Nuestros resultados describen la expresión de células con OCT-4 citoplasmático en una ubicación anatómica perivascular donde de su nicho se encuentra en la región intima de la aorta en rata. In vitro las células aisladas por el método de explante que promueve el aislamiento de células migratorias desde los tejidos muestran un fenotipo con un citoplasma alargado y que expresan aSMA, PDGFRa y b, siendo estos dos últimos marcadores específicos de pericitos. En estas células se presenta una tranlocación a la variante nuclear de OCT-4 que ha sido descrito como el principal regulador de los procesos de autorrenovación y pluripotencia. La expresión de OCT-4 confirma y amplía aún más las observaciones obtenidas en nuestras investigaciones anteriores y demuestra que células madre se encuentran en los vasos sanguíneos en un microambiente que, probablemente, les permite que sobrevivan y permanezcan en reposo como un tipo de célula troncal quiescente.

Perivascular cells have a common origin from embryonic stem cells and blood vessels provide a niche for the maintenance of their stemness. Embryonic markers expression of undifferentiated cells, as well as, the wide variety of cellular phenotypes generated from pericytes, could be explained by the ability of these cells to be induced to a state of "stemness" when treated with appropriate factors. Our findings describe the expression of cells with cytoplasmic OCT-4 in perivascular anatomical location where their niche region is in the intima of the aorta in rats. In vitro isolated cells by explant method that promotes the isolation of migratory cells from tissues show an elongated cytoplasm phenotype, expressing aSMA, PDGFRa & b where the last two are specific markers of pericytes. These cells present a translocated nuclear variant of OCT-4 that has been described as the master regulator of self-renewal processes and pluripotency. The expression of OCT-4 further confirms and extends the observations obtained in our previous research and proves that stem cells found in the blood vessels in a microenvironment that probably allows them to survive and remain at rest as a type of quiescent stem cell.