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Impact of ionizing radiation on human embryonic stem cells

Luft, Sabine :
Impact of ionizing radiation on human embryonic stem cells.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Impact of ionizing radiation on human embryonic stem cells
Language: English
Abstract:

The radiosensitivity of the early developing human embryo is not well characterized. Radiation protection guidelines in case of an in utero exposure are mainly based on animal experiments and on epidemiological data. The mechanisms behind a radiation response of the embryo especially of high LET radiation is not completely understood. Therefore, there is a need to elucidate the effects of low and high LET ionizing radiation on early embryonic development. To contribute to a better understanding of this topic, H9 human embryonic stem cells were used as an in vitro tool to investigate the early blastocyst-like stage of the human embryonic development. As the latter give rise to an entire functional organism, maintaining their structural and genomic integrity is mandatory to avoid passing DNA damage on to the progeny. In the literature, it is reported that embryonic stem cells indeed exhibit a lower mutation frequency and that they show a higher apoptotic activity upon DNA damage, compared to differentiated somatic cells. A previous study on mouse embryonic stem cells performed at GSI indicates that even though eighth generation daughter cells still harbor chromosomal aberrations after exposure to high LET radiation, they are capable to maintain a pluripotent cell population. This study elucidates the capacity of human embryonic stem cells to efficiently eliminate damaged cells upon ionizing radiation exposure and to proceed normally into endoderm differentiation. Thus, human embryonic stem cells were exposed to 1 and 3 Gy of X-rays, as well as to 1 Gy and 3 Gy of high LET radiation i.e. C, Ca, Ni and Ti ions. Human embryonic stem cells were observed up to 14 days after exposure in pluripotency maintaining culture conditions, and up to 11 days in conditions promoting differentiation into definitive endoderm. Endpoints such as cell cycle block, apoptosis, chromosomal aberrations, and gene expression related to embryonic signaling pathways and pluripotency as well as differentiation were investigated. It was found that isodoses of high LET radiation were more effective than X-rays in inducing apoptosis and chromosomal aberrations in human embryonic stem cells. After a radiation induced G2 block, a fraction of cells undergoes apoptosis. However, few stable chromosomal aberrations are still found in the progeny of exposed human embryonic stem cells. Gene expression studies of embryonic signaling pathways showed a majority of downregulated genes related to WNT, FGF, Hedgehog, TGF-ß and Notch signaling pathways. These signaling alterations presumably cause the observed downregulation of core pluripotency markers like OCT4A and NANOG. Consequently, differentiation capability into definitive endoderm was impaired. Together, the results reported in this work might indicate several consequences for the early embryo in case of an in utero exposure, like implantation failure due to cell cycle arrest and apoptosis, or malformations due to alterations in cell signaling and differentiation processes.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Empfindlichkeit des frühen Embryos auf ionisierende Strahlung ist nicht ausreichend charakterisiert. Richtlinien des Strahlenschutzes bezüglich einer in utero Bestrahlung basieren hauptsächlich auf Tierexperimenten sowie epidemiologischen Studien. Die Mechanismen, die einer Strahlenantwort des Embryos zu Grunde liegen, sind besonders im Fall von Hoch-LET Strahlung nicht vollständig geklärt. Um zu einem besseren Verständnis über die Wirkung ionisierender Strahlung auf die frühe embryonale Entwicklung beizutragen, wurden H9 embryonale Stammzellen als in vitro Modell für das Blastozysten-Stadium des frühen Embryos eingesetzt. Da die embryonalen Stammzellen in diesem Entwicklungsstadium die Grundlage für einen vollständig funktionalen Organismus darstellen, und um zu verhindern, dass mögliche DNA Schäden an Tochterzellen weitergegeben werden, ist eine Aufrechterhaltung der genomischen Integrität notwendig. Tatsächlich wurde in der Literatur bereits eine geringere Mutationsrate in embryonalen Stammzellen sowie eine hohe Apoptoserate in Folge von DNA Schäden im Vergleich zu differenzierten Zellen beschrieben. In einer zuvor an der GSI durchgeführten Studie konnte beobachtet werden, dass Nachkommen von Hoch-LET bestrahlten embryonalen Stammzellen der Maus Chromosomenaberrationen aufweisen. Die Ergebnisse in Bezug auf das Pluripotenzstadium weisen aber darauf hin, dass die Zellen in der Lage sind, dieses aufrechtzuerhalten. In dieser Arbeit wurde die Fähigkeit von humanen embryonalen Stammzellen untersucht, durch ionisierende Strahlung geschädigte Zellen von der pluripotenten Population zu entfernen um somit die Differenzierungseigenschaften in definitives Entoderm aufrechterhalten zu können. Dazu wurden Bestrahlungsexperimente mit 1 und 3 Gy Röntgenstrahlen, als auch mit 1 und 3 Gy Schwerionen-Strahlung (C, Ca, Ni und Ti Ionen) durchgeführt. Die Zellen wurden zum einen unter Pluripotenz-erhaltenden Bedingungen bis zu 14 Tage, als auch 11 Tage lang unter Bedingungen, die die Differenzierung in definitives Entoderm fördern, beobachtet. Dabei wurden Endpunkte wie Zellzyklus-Arrest, Apoptose, chromosomale Aberrationen und Genexpression in Bezug auf embryonale Signalwege, Pluripotenz und Differenzierung untersucht. Die Ergebnisse der Apoptose-Messung sowie der Untersuchung von chromosomalen Aberrationen zeigten eine höhere biologische Wirksamkeit von Hoch-LET im Vergleich zu Niedrig-LET Strahlung in humanen embryonalen Stammzellen. Es wurde zudem ein strahleninduzierter G2 Zellzyklus-Arrest beobachtet. Obwohl ein Teil der geschädigten Zellen in Apoptose ging, traten auch in den Tochterzellen noch chromosomale Aberrationen auf. Untersuchungen der Genexpression infolge von Bestrahlung zeigten eine Herabregulation von embryonalen Signalwegen wie WNT, FGF, Hedgehog, TGF-ß und Notch, was vermutlich auch für die beobachtete Herabregulation der Expression von Pluripotenzmarkern wie OCT4A und NANOG verantwortlich ist. In der Folge war auch die Differenzierung zu definitivem Entoderm im Vergleich zu unbestrahlten Zellen beeinträchtigt. Zusammenfassend weisen die Ergebnisse dieser Arbeit im Falle einer in utero Bestrahlung darauf hin, dass es auf Grund von Zellzyklus-Arrest und Apoptose zu einer Nidationsstörung und Frühabort kommen kann, und dass auf Grund von Veränderungen in Signalwegen und Differenzierungsprozessen Missbildungen möglich sind.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 10 Department of Biology
Date Deposited: 09 Jul 2015 11:53
Last Modified: 09 Jul 2015 11:53
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-46201
Referees: Durante, Prof. Dr. Marco and Layer, Prof. Dr. Paul G.
Refereed: 30 June 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4620
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