FGF4 drives intermittent oscillations of ERK activity in mouse embryonic stem cells

Abstract

Signal transduction systems often display complex activation patterns in response to steady-state ligand stimulation. It has been hypothesized that cells use signal transduction dynamics to encode information about the concentration or identity of the stimuli, but rigorous testing of this idea requires systematic characterisation of single cell responses in defined environments. Here, I used live-cell sensors to study ERK activity dynamics in mouse embryonic stem cells (ESCs) in response to fibroblast growth factor (FGF) stimulation, the main trigger for ESC differentiation and lineage commitment. I detected previously undescribed rapid and regular pulses of ERK activity in pluripotent ESCs. Using Fgf4 mutant cells, I showed that paracrine FGF was the main driver of ERK pulses. ERK activity dynamics were heterogeneous between cells, ranging from oscillatory to stochastic behaviours. Additionally, single cells showed the ability to transit between oscillatory and non-oscillatory behaviour, leading to intermittent clusters of regular pulsing. With increasing FGF4 dose, clusters of pulses became more prevalent and pulse frequency increased correspondingly, although the duration of individual pulses had a characteristic timescale that was maintained. Increasing FGF4 dose also increased the basal phospho-ERK levels in single cells. The data in this thesis proposes that ligand levels are reflected in the combination of both the basal ppERK level, as well as the pulse frequency.

Zelluläre Signaltransduktionssysteme erzeugen nach Stimulation mit konstanten Konzentrationen von Signalmolekülen oft komplexe dynamische Aktivierungsmuster. Zellen können diese Aktivierungsmuster nutzen, um Informationen über die Konzentration oder Identität der Stimuli zu übertragen. Um die Funktion dynamischer Aktivierungsmuster in spezifischen Zellsystemen zu verstehen, ist es notwendig, Einzelzellantworten in definierten Umgebungen systematisch zu charakterisieren. Der Fibroblasten-Wachstumsfaktor (Fibroblast Growth Factor, FGF) ist ein zentrales Signalmolekül das die Differenzierung pluripotenter embryonaler Stammzellen (embryonic stem cells, ESCs) steuert. In dieser Arbeit habe ich Live-Zell-Sensoren verwendet, um die ERK-Aktivitätsdynamik ESCs der Maus nach FGF-Stimulation zu untersuchen. Durch meine Experimente konnte ich bisher unbeschriebene schnelle und regelmäßige Pulse der ERK-Aktivität in ESCs nachweisen. Mithilfe von Fgf4-mutierten Zellen konnte ich zeigen, dass diese ERK-Pulse im Wesentlichen durch parakrine FGFs ausgelöst werden. Die Dynamik der ERK-Aktivität in ESC-Kulturen ist heterogen und reicht von oszillatorischem bis zu stochastischem Verhalten. Einzelne Zellen zeigen außerdem die Fähigkeit, zwischen oszillatorischem und nicht-oszillatorischem Verhalten zu wechseln, ein Verhalten das sich im Auftreten von Clustern von regelmäßigen Pulsen niederschlägt. Solche Cluster treten mit zunehmender FGF4- Dosis vermehrt auf, und die Pulsfrequenz nimmt entsprechend zu, wobei die Dauer der einzelnen Pulse allerdings eine charakteristische Zeitskala hat die unabhängig von der FGF-Dosis ist. Mit zunehmender FGF4-Dosis steigt zudem der basalen phospho- ERK-Spiegel in einzelnen Zellen an. Zusammen legen diese Daten nahe, dass das FGF/ERK Signaltransduktionssystem in ESCs Information über die Konzentration von FGF-Liganden in einer Kombination aus basalem ppERK-Spiegel und ERK- Pulsfrequenz überträgt.