In C. elegans, reduced insulin-like signalling induces developmental quiescence, reproductive delay and lifespan extension. We show here that the C. elegans orthologues of LKB1 and AMPK cooperate during conditions of reduced insulin-like signalling to establish cell cycle quiescence in the germline stem cell population, in addition to prolonging lifespan. The inactivation of either protein causes aberrant germline proliferation during diapause-like `dauer' development, whereas the loss of AMPK uncouples developmental arrest from lifespan extension. Reduced TGF-β activity also triggers developmental quiescence independent of the insulin-like pathway. Our data suggest that these two signalling pathways converge on the C. elegans PTEN orthologue to coordinate germline proliferation with somatic development during dauer formation, via the regulation of AMPK and its upstream activator LKB1, rather than through the canonical insulin-like signalling cascade. In humans, germline mutations in TGF-β family members, PTEN or LKB1 result in related tumour-predisposing syndromes. Our findings establish a developmental relationship that may underscore their shared, characteristic aetiology.

Stem cells have recently attracted significant attention largely due to their potential therapeutic properties, but also because of their role in tumorigenesis and their resemblance, in many aspects, to cancerous cells. Understanding how stem cells are regulated, namely with respect to the control of their proliferation and differentiation within a functional organism, is thus primordial to safely profit from their therapeutic benefits. Here, we review recent advances in the understanding of germline stem cell proliferation control by factors that respond to the nutritional status and/or insulin signaling, through studies performed in C. elegans and Drosophila. Together, these data uncover some shared fundamental features that underlie the central control of cellular proliferation within a target stem cell population in an organism. These features may indeed be conserved in higher organisms and may apply to various other stem cell populations.

Neurons are polarized cells with morphologically and functionally distinct axons and dendrites. The SAD kinases are crucial for establishing the axon-dendrite identity across species. Previous studies suggest that a tumour suppressor kinase, LKB1, in the presence of a pseudokinase, STRADα, initiates axonal differentiation and growth through activating the SAD kinases in vertebrate neurons. STRADα was implicated in the localization, stabilization and activation of LKB1 in various cell culture studies. Its in vivo functions, however, have not been examined. In our present study, we analyzed the neuronal phenotypes of the first loss-of-function mutants for STRADα and examined their genetic interactions with LKB1 and SAD in C. elegans. Unexpectedly, only the C. elegans STRADα, STRD-1, functions exclusively through the SAD kinase, SAD-1, to regulate neuronal polarity and synaptic organization. Moreover, STRD-1 tightly associates with SAD-1 to coordinate its synaptic localizations. By contrast, the C. elegans LKB1, PAR-4, also functions in an additional genetic pathway independently of SAD-1 and STRD-1 to regulate neuronal polarity. We propose that STRD-1 establishes neuronal polarity and organizes synaptic proteins in a complex with the SAD-1 kinase. Our findings suggest that instead of a single, linear genetic pathway, STRADα and LKB1 regulate neuronal development through multiple effectors that are shared in some cellular contexts but distinct in others.

The protein kinase LKB1 is a crucial regulator of cell growth/proliferation and cell polarity and is the causative gene in the cancer-predisposing disease Peutz-Jeghers syndrome (PJS). The activity of LKB1 is greatly enhanced following its association with the Ste20-like adapter protein STRAD. Unlike LKB1 however, mutations in STRAD have not been identified in PJS patients and thus, the key tumour suppressive role(s) of LKB1 might be STRAD independent. Here, we report that Caenorhabditis elegans strd-1/STRAD mutants recapitulate many phenotypes typical of par-4/LKB1 loss of function, showing defects during early embryonic and dauer development. Interestingly, although the growth/proliferation defects in severe par-4 and strd-1 mutant dauers are comparable, strd-1 mutant embryos do not share the polarity defects of par-4 embryos. We demonstrate that most of par-4-dependent regulation of germline stem cell (GSC) quiescence occurs through AMPK, whereby PAR-4 requires STRD-1 to phosphorylate and activate AMPK. Consistent with this, even though AMPK plays a major role in the regulation of cell proliferation, like strd-1 it does not affect embryonic polarity. Instead, we found that the PAR-4-mediated phosphorylation of polarity regulators such as PAR-1 and MEX-5 in the early embryo occurs in the absence of STRD-1. Thus, PAR-4 requires STRD-1 to phosphorylate AMPK to regulate cell growth/proliferation under reduced insulin signalling conditions, whereas PAR-4 can promote phosphorylation of key proteins, including PAR-1 and MEX-5, to specify early embryonic polarity independently of STRD-1. Our results therefore identify a key strd-1/STRAD-independent function of par-4/LKB1 in polarity establishment that is likely to be important for tumour suppression in humans.

Defects in induction signaling and response underlie the nucleocytoplasmic incompatibility between two evolutionarily distant frog species, while specific treatments partially restore this response in explants and whole embryos.

Nuclear transfer (NT) remains the most effective method to reprogram somatic cells to totipotency. Somatic cell nuclear transfer (SCNT) efficiency however remains low, but recurrent problems occurring in partially reprogrammed cloned embryos have recently been identified and some remedied. In particular, the trophectoderm has been identified as a lineage whose reprogramming success has a large influence on SCNT embryo development. Several interspecific hybrid and cybrid reprogramming systems have been developed as they offer various technical advantages and potential applications, and together with SCNT, they have led to the identification of a series of reprogramming events and responsible reprogramming factors. Interspecific incompatibilities hinder full exploitation of cross-species reprogramming systems, yet recent findings suggest that these may not constitute insurmountable obstacles.

Under replete growth conditions, abundant nutrient uptake leads to the systemic activation of insulin/IGF-1 signalling (IIS) and the promotion of stem cell growth/proliferation. Activated IIS can stimulate the ERK/MAPK pathway, the activation of which also supports optimal stem cell proliferation in various systems. Stem cell proliferation rates can further be locally refined to meet the resident tissue's need for differentiated progeny. We have recently shown that the accumulation of mature oocytes in the C. elegans germ line, through DAF-18/PTEN, inhibits adult germline stem cell (GSC) proliferation, despite high systemic IIS activation. We show here that this feedback occurs through a novel cryptic signalling pathway that requires PAR-4/LKB1, AAK-1/AMPK and PAR-5/14-3-3 to inhibit the activity of MPK-1/MAPK, antagonize IIS, and inhibit both GSC proliferation and the production of additional oocytes. Interestingly, our results imply that DAF-18/PTEN, through PAR-4/LKB1, can activate AAK-1/AMPK in the absence of apparent energy stress. As all components are conserved, similar signalling cascades may regulate stem cell activities in other organisms and be widely implicated in cancer.

During development, stem cell populations rapidly proliferate to populate the expanding tissues and organs. During this phase, nutrient status, by systemically affecting insulin/IGF-1 signalling, largely dictates stem cell proliferation rates. In adults, however, differentiated stem cell progeny requirements are generally reduced and vary according to the spatiotemporal needs of each tissue. We demonstrate here that differential regulation of germline stem cell proliferation rates in Caenorhabditis elegans adults is accomplished through localized neutralization of insulin/IGF-1 signalling, requiring DAF-18/PTEN, but not DAF-16/FOXO. Indeed, the specific accumulation of oocytes, the terminally differentiated stem cell progeny, triggers a feedback signal that locally antagonizes insulin/IGF-1 signalling outputs in the germ line, regardless of their systemic levels, to block germline stem cell proliferation. Thus, during adulthood, stem cells can differentially respond within tissues to otherwise equal insulin/IGF-1 signalling inputs, according to the needs for production of their immediate terminally differentiated progeny.

During development, stem cells generate all of the differentiated cells that populate our tissues and organs. Stem cells are also responsible for tissue turnover and repair in adults, and as such, they hold tremendous promise for regenerative therapy. Aging, however, impairs the function of stem cells and is thus a significant roadblock to using stem cells for therapy. Paradoxically, the patients who would benefit the most from regenerative therapies are usually advanced in age. The use of stem cells from young donors or the rejuvenation of aged patient-derived stem cells may represent part of a solution. Nonetheless, the transplantation success of young or rejuvenated stem cells in aged patients is still problematic, since stem cell function is greatly influenced by extrinsic factors that become unsupportive with age. This article briefly reviews how aging impairs stem cell function, and how this has an impact on the use of stem cells for therapy.