Stem cells require high amounts of energy to replicate their genome and organelles and differentiate into numerous cell types. Therefore, metabolic stress has a major impact on stem cell fate determination, including self-renewal, quiescence, and differentiation. Lysosomes are catabolic organelles that influence stem cell function and fate by regulating the degradation of intracellular components and maintaining cellular homeostasis in response to metabolic stress. Lysosomal functions altered by metabolic stress are tightly regulated by the transcription factor EB (TFEB) and TFE3, critical regulators of lysosomal gene expression. Therefore, understanding the regulatory mechanism of TFEB-mediated lysosomal function may provide some insight into stem cell fate determination under metabolic stress. In this review, we summarize the molecular mechanism of TFEB/TFE3 in modulating stem cell lysosomal function and then elucidate the role of TFEB/TFE3-mediated transcriptional activity in the determination of stem cell fate under metabolic stress.
Neural stem cells (NSCs) can proliferate and differentiate into multiple cell types that constitute the nervous system. NSCs can be derived from developing fetuses, embryonic stem cells, or induced pluripotent stem cells. NSCs provide a good platform to screen drugs for neurodegenerative diseases and also have potential applications in regenerative medicine. Natural products have long been used as compounds to develop new drugs. In this review, natural products that control NSC fate and induce their differentiation into neurons or glia are discussed. These phytochemicals enable promising advances to be made in the treatment of neurodegenerative diseases.
Germline stem cells (GSCs) are the best understood adult stem cell types in the nematode Caenorhabditis elegans, and have provided an important model system for studying stem cells and their cell fate in vivo, in mammals. In this review, we propose a mechanism that controls GSCs and their cell fate through selective activation, repression and mobilization of the specific mRNAs. This mechanism is acutely controlled by known signal transduction pathways (e.g., Notch signaling and Ras-ERK MAPK signaling pathways) and P granule (analogous to mammalian germ granule)-associated mRNA regulators (FBF-1, FBF-2, GLD-1, GLD-2, GLD-3, RNP-8 and IFE-1). Importantly, all regulators are highly conserved in many multi-cellular animals. Therefore, GSCs from a simple animal may provide broad insight into vertebrate stem cells (e.g., hematopoietic stem cells) and their cell fate specification.
Mesenchymal stem cells (MSCs) are multipotent stem cells capable of differentiating into adipocytes, osteoblasts, or chondrocytes. A mutually inhibitory relationship exists between osteogenic and adipogenic lineage commitment and differentiation. Such cell fate decision is regulated by several signaling pathways, including Wnt and bone morphogenetic protein (BMP). Accumulating evidence indicates that microRNAs (miRNAs) act as switches for MSCs to differentiate into either osteogenic or adipogenic lineage. Different miRNAs have been reported to regulate a master transcription factor for osteogenesis, such as Runx2, as well as molecules in the Wnt or BMP signaling pathway, and control the balance between osteoblast and adipocyte differentiation. Here, we discuss recent advancement of the cell fate decision of MSCs by miRNAs and their targets. [BMB Reports 2015; 48(6): 319-323]
Glia have been known for its pivotal roles in physiological and pathological conditions in the nervous system. To study glial biology, multiple approaches have been applied to utilize glial cells for research, including stem cell-based technologies. Human glial cells differentiated from pluripotent stem cells are now available, allowing us to study the structural and functional roles of glia in the nervous system, although the efficiency is still low. Direct conversion is an advanced strategy governing fate conversion of diverse cell types directly into the desired lineage. This novel strategy stands as a promising approach for preliminary research and regenerative medicine. Direct conversion employs genetic and environmental cues to change cell fate to that with the required functional cell properties while retaining maturity-related molecular features. As an alternative method, it is now possible to obtain a variety of mature cell populations that could not be obtained using conventional differentiation methods. This review summarizes current achievements in obtaining glia, particularly oligodendrocytes and Schwann cells.
Yun, Young-Shik;Kang, Eun-Hye;Yun, In Sik;Kim, Yong Oock;Yeo, Jong-Souk
Journal of International Society for Simulation Surgery
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v.4
no.1
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pp.1-8
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2017
In the field of tissue engineering, researches have been actively conducted to regulate stem cell fate by understanding the interaction between cell and materials. This approach is expected as a promising therapeutic method in the future medicine by utilizing differentiation of stem cells into desired cells or tissues using biomaterial. For this regenerative medicine, there exist lots of attempts to construct optimized structures of various shapes and sizes that can regulate the stem cell fate. In this review, we will empathize the topographic effect as stem cell niche on the mesenchymal stem cell (MSC) response (cell attachment, proliferation, and differentiation) according to the shape and size of the structure of the substrates, and comprehensively analyze the importance and the effect of shape and size of the surface topography.
Chae, Je Byeong;Choi, Hye-Ryung;Shin, Jung-Won;Na, Jung-Im;Huh, Chang-Hun;Park, Kyoung-Chan
Annals of dermatology
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v.30
no.6
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pp.694-700
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2018
Background: Kaempferol (3,4',5,7-tetrahydroxyflavone) is a flavonoid known to have a wide range of pharmacological activities. The 3-OH group in flavonoids has been reported to determine antioxidant activities. Objective: We tested whether kaempferol can affect the expression of integrins and the stem cell fate of interfollicular epidermal stem cells. Methods: Skin equivalent (SE) models were constructed, and the expression levels of stem cell markers and basement membrane-related antigens were tested. The immunohistochemical staining patterns of integrins, p63, and proliferating cell nuclear antigen (PCNA) were compared between kaempferol- and apigenin-treated SE models. Reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) was used to evaluate the mRNA expression of integrins. Results: Kaempferol increased the thickness of the epidermis when added to prepare SEs. In addition, the basal cells of kaempferol-treated SEs appeared more columnar. In the immunohistological study, the expression of integrins ${\alpha}6$ and ${\beta}1$ and the numbers of p63- and PCNA-positive cells were markedly higher in the kaempferol-treated model. However, apigenin showed no effects on the formation of three-dimensional skin models. RT-PCR analysis also confirmed that kaempferol increased the expression of integrin ${\alpha}6$ and integrin ${\beta}1$. Conclusion: Our findings indicated that kaempferol can increase the proliferative potential of basal epidermal cells by modulating the basement membrane. In other words, kaempferol can affect the fate of interfollicular epidermal stem cells by increasing the expression of both integrins ${\alpha}6$ and ${\beta}1$. These effects, in particular, might be ascribed to the 3-OH group of kaempferol.
Koh, Young Eun;Choi, Eui-Hwan;Kim, Jung-Woong;Kim, Keun Pil
Molecules and Cells
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v.45
no.11
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pp.820-832
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2022
As a potential candidate to generate an everlasting cell source to treat various diseases, embryonic stem cells are regarded as a promising therapeutic tool in the regenerative medicine field. Cohesin, a multi-functional complex that controls various cellular activities, plays roles not only in organizing chromosome dynamics but also in controlling transcriptional activities related to self-renewal and differentiation of stem cells. Here, we report a novel role of the α-kleisin subunits of cohesin (RAD21 and REC8) in the maintenance of the balance between these two stem-cell processes. By knocking down REC8, RAD21, or the non-kleisin cohesin subunit SMC3 in mouse embryonic stem cells, we show that reduction in cohesin level impairs their self-renewal. Interestingly, the transcriptomic analysis revealed that knocking down each cohesin subunit enables the differentiation of embryonic stem cells into specific lineages. Specifically, embryonic stem cells in which cohesin subunit RAD21 were knocked down differentiated into cells expressing neural alongside germline lineage markers. Thus, we conclude that cohesin appears to control the fate determination of embryonic stem cells.
Glioblastoma multiforme (GBM) is one of the most common brain malignancies and has a very poor prognosis. Recent evidence suggests that the presence of cancer stem cells (CSC) in GBM and the rare CSC subpopulation that is resistant to chemotherapy may be responsible for the treatment failure and unfavorable prognosis of GBM. A garlic-derived compound, Z-ajoene, has shown a range of biological activities, including anti-proliferative effects on several cancers. Here, we demonstrated for the first time that Z-ajoene specifically inhibits the growth of the GBM CSC population. CSC sphere-forming inhibition was achieved at a concentration that did not exhibit a cytotoxic effect in regular cell culture conditions. The specificity of this inhibitory effect on the CSC population was confirmed by detecting CSC cell surface marker CD133 expression and biochemical marker ALDH activity. In addition, stem cell-related mRNA profiling and real-time PCR revealed the differential expression of CSC-specific genes, including Notch, Wnt, and Hedgehog, upon treatment with Z-ajoene. A proteomic approach, i.e., reverse-phase protein array (RPPA) and Western blot analysis, showed decreased SMAD4, p-AKT, 14.3.3 and FOXO3A expression. The protein interaction map (http://string-db.org/) of the identified molecules suggested that the AKT, ERK/p38 and $TGF{\beta}$ signaling pathways are key mediators of Z-ajoene's action, which affects the transcriptional network that includes FOXO3A. These biological and bioinformatic analyses collectively demonstrate that Z-ajoene is a potential candidate for the treatment of GBM by specifically targeting GBM CSCs. We also show how this systemic approach strengthens the identification of new therapeutic agents that target CSCs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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