Shp2 activity balances Naïve and Primed pluripotency by regulating MAPK and Jak/Stat3 pathway in Mouse Embryonic Stem Cells

Abstract

For maintaining naïve pluripotency, simultaneous inhibition of Mek1 as well as Gsk3beta by chemical inhibitors is critical, suggesting that Mek1-Erk1/2 (Mek/Erk) signaling pathway is activated upon leukemia inhibitory factor (LIF) stimulation. Previously, Ptpn11 (encoding the Shp2 protein, which serves both as a tyrosine phosphatase and adapter) was predicted as one of the key factors that negatively modulates naïve pluripotency through LIF-dependent Jak/Stat3 signaling. In this study, we demonstrated that roles of Shp2 differed between naïve and primed pluripotency by using an isogenic pair of naïve and primed mouse embryonic stem cells (mESCs). Activated Shp2 by LIF modulated the naïve pluripotency. Suppression of Shp2 led to elevated naive pluripotency by promoting Jak/Stat3 signaling and disturbed in vivo differentiation potential. In sharp contrast, Shp2 depletion significantly impeded the self-renewal of ESCs under primed culture conditions, along with a reduction in Mek/Erk signaling. Similarly, during the primed conversion of metastable Pluripotent Stem Cells (PSCs), the treatment with an allosteric Shp2 inhibitor (iShp2) led to eliminated primed pluripotency, which led to predominant naïve pluripotency. Moreover, upon treatment of iShp2, the cells sustained Stat3 phosphorylation and decoupled Mek/Erk signaling, thus replacing the use of iMek1 both for the maintenance of naïve pluripotency and for the establishment of naïve ESCs through reprogramming. Considering the irreversible effect of iMek1 on genomic integrity, iShp2 would be a promising alternative for iMek1. Taken together, our findings highlight the differential roles of Shp2 in naïve and primed pluripotency and propose the usage of iShp2 instead of iMek1 for the efficient maintenance and establishment of naïve pluripotency.

줄기세포의 나이브전분화성(Naïve pluripotency)을 유지하기 위해서는 LIF (Leukemia Inhibitory Factor)의 첨가 외에 추가적으로Gsk3beta 와 Mek1 의 지속적 저해가 필수적이고 (LIF+2i), 이것은 MAPK 신호전달과 Jak/Stat3 신호전달이 LIF에 의해서 함께 활성화된다는 것을 나타낸다. LIF 자극 직후에 Jak/Stat3 의 타이로신 인산가수분해 효소(phosphatase)와 Ras-Erk signaling 의 연결자 단백질(adaptor protein)의 두 역할을 하는 Ptpn11 (Shp2 를 암호화한다)은, Genome wide screening 을 통해 나이브전분화성의 음성 억제제로서 추정되었던 유전자이다. 이 연구에서 본인은 Shp2 의 역할이 나이브전분화성과 프라임 전분화성(primed pluripotency) 에서 다르다는 것을 밝혔다. Shp2의 감소는 나이브 배아줄기세포에서 나이브전분화성을 증가시켰고 분화를 억제시킨 반면, 프라임 배아줄기세포에서 세포사멸을 유도하고,나이브 배아줄기세포를 프라임화 (primed conversion) 시킬 때 성장억제를 유도했다. 비슷한 결과로, metastable 상태의 전분화성 줄기 세포를 프라임화 (primed conversion) 시킬 때, Shp2 의 두 가지 역할을 모두 억제하는 Shp2 알로스테릭 저해제(iShp2) 처리는 프라임 전분화성(primed pluripotency)을 감소시켰고, 결과적으로 나이브 전분화성(naive pluripotency) 이 우세해지게 했다. Shp2 감소 후 나이브 배아줄기세포에서 지속된 Stat3 인산화와 함께 감소된 Erk signaling 을 야기하면서,나이브전분화성에 있어서 Mek억제제(iMek) 의 필요성을 감소시켰다.또한, Shp2 알로스테릭저해제(iShp2) 처리는 나이브전분화성 의 자기 재생(self-renewal)을 가능하게 했고, 나이브전분화성의 유지와 확립에 있어서 iMek을 대체했다.iMek이 유전자 온전성에 미치는 비가역적인 효과를 고려했을 때, iShp2 는 iMek의 유망한 대체제가 될 수 있을 것이다. 결론적으로,이 연구는 Shp2 가 나이브와 프라임 전분화성에 양분(兩分)된 다른 역할을 하는 것을 밝혀냈으며, 나이브전분화성의 유지와 확립에 있어서 iMek 의 대체제로써 iShp2 의 사용 가능성을 제안한다.