A stem cell niche provides an environment that governs stem cell maintenance and division. Thus, the development of a proper niche is of prime importance to stem cell behaviors. Mechanisms of niche development are beginning to be revealed in the Drosophila male gonad. Niche cells are initially dispersed throughout the gonad, then assemble at its apical tip through the anterior migration of posteriorly located niche cells. The molecular mechanisms of this migration and assembly are still poorly understood. Here we show evidence suggesting that Lin28, an RNA-binding protein and regulator of let7 genesis, might be an intrinsic factor for the anterior migration of niche cells. We found that a dispersed, ectopic niche, a phenotype observed with anterior migration defects, occurs in lin28 mutant gonads. This phenotype is rescued by expression of lin28 in the niche cells. These findings suggest that Lin28 might be required for the anterior migration of niche cells.
To overcome the difficulty of controlling stem cell fate and function in applications to regenerative medicine, a number of alternative approaches have been made. Recent reports demonstrate that a non-cellular niche modulating the biophysical microenvironment with chemical factors can support stem cell self-renewal. In our previous studies, early establishment was executed to optimize biophysical factors and it was subsequently found that the microgeometry of the extracellular matrix made huge differences in stem cell behavior and phenotype. We review here a three-dimensional, non-cellular niche designed to support stem cell self-renewal. The characteristics of stem cells under the designed system are further discussed.
Ok-Hyeon Kim;Tae Jin Jeon;Young In So;Yong Kyoo Shin;Hyun Jung Lee
International Journal of Stem Cells
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v.16
no.3
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pp.251-259
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2023
Mesenchymal stromal cells (MSCs) have attracted scientific and medical interest due to their self-renewing properties, pluripotency, and paracrine function. However, one of the main limitations to the clinical application of MSCs is their loss of efficacy after transplantation in vivo. Various bioengineering technologies to provide stem cell niche-like conditions have the potential to overcome this limitation. Here, focusing on the stem cell niche microenvironment, studies to maximize the immunomodulatory potential of MSCs by controlling biomechanical stimuli, including shear stress, hydrostatic pressure, stretch, and biophysical cues, such as extracellular matrix mimetic substrates, are discussed. The application of biomechanical forces or biophysical cues to the stem cell microenvironment will be beneficial for enhancing the immunomodulatory function of MSCs during cultivation and overcoming the current limitations of MSC therapy.
Jeong Hyun Heo;Dongyun Kang;Seung Ju Seo;Yoonhee Jin
International Journal of Stem Cells
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v.15
no.1
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pp.60-69
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2022
Organoids show great potential in clinical translational research owing to their intriguing properties to represent a near physiological model for native tissues. However, the dependency of organoid generation on the use of poorly defined matrices has hampered their clinical application. Current organoid culture systems mostly reply on biochemical signals provided by medium compositions and cell-cell interactions to control growth. Recent studies have highlighted the importance of the extracellular matrix (ECM) composition, cell-ECM interactions, and mechanical signals for organoid expansion and differentiation. Thus, several hydrogel systems prepared using natural or synthetic-based materials have been designed to recreate the stem cell niche in vitro, providing biochemical, biophysical, and mechanical signals. In this review, we discuss how recapitulating multiple aspects of the tissue-specific environment through designing and applying matrices could contribute to accelerating the translation of organoid technology from the laboratory to therapeutic and pharmaceutical applications.
Plants undergo cell division throughout their life in order to maintain their growth. It is well known that root and shoot tip of plants possess meristems, which contain quiescent cells. Fluridone (1-methyl-3-phenyl-5-(3-trifluromethyl (phenyl))-4-(1H)-pyridinone) is an established inhibitor of both ABA and carotenoid biosynthesis. However, the other functions of fluridone remain undiscovered. In this report, we provide experimental evidence that fluridone plays a role in the division of the quiescent centre of the Arabidopsis root meristem. This study examined the effects of exogenous fluridone and ABA on the development of the stem cell niche in Arabidopsis root. We show that fluridone promoted the division of stem cells in the quiescent centre, whereas exogenous ABA suppressed quiescent centre division. Furthermore, we established a novel regulatory function for fluridone by demonstrating that it plays an important role in postembryonic development.
Targeting hair follicle regeneration has been investigated for the treatment of hair loss, and fundamental studies investigating stem cells and their niche have been described. However, knowledge of stem cell metabolism and the specific regulation of bioenergetics during the hair regeneration process is currently insufficient. Here, we report the hair regrowth-promoting effect of a newly synthesized novel small molecule, IM176OUT05 (IM), which activates stem cell metabolism. IM facilitated stemness induction and maintenance during an induced pluripotent stem cell generation process. IM treatment mildly inhibited mitochondrial oxidative phosphorylation and concurrently increased glycolysis, which accelerated stemness induction during the early phase of reprogramming. More importantly, the topical application of IM accelerated hair follicle regeneration by stimulating the progression of the hair follicle cycle to the anagen phase and increased the hair follicle number in mice. Furthermore, the stem cell population with a glycolytic metabotype appeared slightly earlier in the IM-treated mice. Stem cell and niche signaling involved in the hair regeneration process was also activated by the IM treatment during the early phase of hair follicle regeneration. Overall, these results show that the novel small molecule IM promotes tissue regeneration, specifically in hair regrowth, by restructuring the metabolic configuration of stem cells.
CD82/KAI1, identified as a metastasis suppressor, was initially known only as a molecular facilitator, but its various functions have recently been revealed. CD82 plays an important role in the stem-progenitor cell, angiogenesis, and muscle. We would like to introduce the recently reported functions and roles of CD82 in this review. CD82 is a member of the tetraspanin family, which consists of four transmembrane domains. The interaction between CD82 and cell adhesion molecules suppresses the metastasis of cancer. CD82 regulates the cell cycle of stem-progenitor cells in the stem cell niche. In the bone marrow, CD82 is expressed on long-term repopulating hematopoietic stem cells (LT-HSCs), which show multipotent differentiation potential. The interaction between CD82 and Duffy antigen receptor for chemokines (DARC) induces quiescence in LT-HSCs. CD82 also regulates Rac1 activity, resulting in the homing and engraftment of HSCs into the bone marrow niche. Besides, CD82 maintains the differentiation potential of muscle stem cells and prevents angiogenesis by inhibiting the expression of cytokines, such as IL-6 and VEGF and adhesion molecules in endothelial cells. CD82 is a key membrane protein that distinguishes the hierarchy of stem-progenitor cells, and is also important for amplification and verification of cellular resources. Further studies on the function of CD82 in various organs and cells are expected to advance cell biology and cell therapy.
Cheong-Whan Chae;Gun Choi;You Ji Kim;Mingug Cho;Yoo-Wook Kwon;Hyo-Soo Kim
BMB Reports
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v.56
no.9
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pp.482-487
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2023
Hematopoiesis is regulated by crosstalk between long-term repopulating hematopoietic stem cells (LT-HSCs) and supporting niche cells in the bone marrow (BM). Here, we describe the role of KAI1, which is mainly expressed on LT-HSCs and rarely on other hematopoietic stem-progenitor cells (HSPCs), in niche-mediated LT-HSC maintenance. KAI1 activates TGF-β1/Smad3 signal in LT-HSCs, leading to the induction of CDK inhibitors and inhibition of the cell cycle. The KAI1-binding partner DARC is expressed on macrophages and stabilizes KAI1 on LT-HSCs, promoting their quiescence. Conversely, when DARC+ BM macrophages were absent, the level of surface KAI1 on LT-HSCs decreases, leading to cell-cycle entry, proliferation, and differentiation. Thus, KAI1 acts as a functional surface marker of LT-HSCs that regulates dormancy through interaction with DARC-expressing macrophages in the BM stem cell niche. Recently, we showed very special and rare macrophages expressing α-SMA+ COX2+ & DARC+ induce not only dormancy of LT-HSC through interaction of KAI1-DARC but also protect HSCs by down-regulating ROS through COX2 signaling. In the near future, the strategy to combine KAI1-positive LT-HSCs and α-SMA/Cox2/DARC triple-positive macrophages will improve the efficacy of stem cell transplantation after the ablative chemo-therapy for hematological disorders including leukemia.
Park, Min Hee;Park, Ji Eun;Kim, Min Seong;Lee, Kwon Young;Yun, Jung Im;Choi, Jung Hoon;Lee, Eunsong;Lee, Seung Tae
Journal of Embryo Transfer
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v.29
no.3
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pp.221-228
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2014
Despite that porcine spermatogonial stem cells (pSSCs) have been regarded as a practical tool for preserving eternally genetic backgrounds derived from pigs with high performance in the economic traits or phenotypes of specific human diseases, there were no reports about precise definition of niche conditions promoting proliferation and maintenance of pSSCs. Accordingly, we tried to determine niche conditions supporting proliferation and maintenance of undifferentiated pSSCs for short-term. For these, undifferentiated pSSCs were progressively cultured in different composition of culture medium, seeding density of pSSCs, type of feeder cells and concentration of growth factors, and then total number of and alkaline phosphatase (AP) activity of pSSCs were investigated at post-6 day culture. As the results, the culture of $4{\times}10^5$ pSSCs on mitotically in activated $2{\times}10^5$ STO cells in the mouse embryonic stem cell culture medium (mESCCM) supplemented with 30 ng/ml glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) was identified as the best niche condition supporting effectively the short-term maintenance of undifferentiated pSSCs. Moreover, the optimized short-term culture system will be a basis for developing long-term culture system of pSSCs in the following researches.
Lee, Won Jong;Park, Seong Hyun;Park, Jun Hee;Oh, Seong Hwan;Lee, Dongjun
Journal of Life Science
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v.32
no.6
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pp.468-475
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2022
The functional distinction between stem and progenitor cells is well established in several tissues, particularly in the blood. There, hematopoietic stem cells preserve their self-renewal potential and reconstitution ability in the bone marrow niche. Bone marrow represents a unique setting in which to examine how stroma influences tissue function. It was the setting in which the experimental definition of a niche was first provided in mammalian stem cell biology and where clear evidence for non-cell-autonomous oncogenesis was first defined. The relationship between bone and blood is ancient as all animals since the divergence of fish that have bones and blood, make blood in their bones. This long coevolution engendered complex interrelationships, including the first proposed and first experimentally defined niche for stem cells in mammals. Multiple bone marrow stromal cell types serve as regulators of hematopoiesis, and the dysfunction of some causes myelodysplasia and leukemia. However, no comprehensive atlas of stromal subpopulations exists. Therefore, we think these data point to something of importance, such as how the needs and challenges of the organism become translated down to distinct cell types that critically govern specific functions within tissues and do so at the level of a single molecule. We think this will be of broad interest to those focusing on systems biology and the physiology of organisms, particularly those seeking a molecular basis for understanding cell and tissue behavior. We summarized the current and emerging concepts of hematopoietic stem cells and bone marrow niche.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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