Characterization of human myeloid progenitors and their differentiation

Abstract

All hematopoietic cells are derived from the hematopoietic stem cells (HSCs) in a continuous and dynamic process, regulated by a network of transcription factors in different combinations and extrinsic signals from growth factors (GFs) and other factors in the microenvironment. In the initial stages of hematopoiesis HSCs differentiate to progenitor cells with gradually more restricted lineage potential and according to the most accepted model the first restriction in developmental potential results in commitment to either the lymphoid or the myeloid branch, in the latter followed by commitment to the neutrophil/monocyte and erythrocyte/megakaryocyte lineages. The objective of this thesis was to further characterize early human myeloid development. As a first step we established a map over neutrophil and erythroid differentiation-associated changes both on the surface and in gene expression, using in vitro cultures of normal human bone marrow cells. This map identifies lineage-specific markers and describes the expression patterns of suggested crucial regulators of myeloid development. Next we found that the inclusion of the growth factor receptor (GFR) thrombopoietin receptor (TpoR) in a previously presented immunophenotype definition of the human common myeloid progenitor (CMP), granulocyte/monocyte progenitor (GMP) and megakaryocyte/erythrocyte progenitor (MEP), significantly improved the separation of MEPs (TpoR+) from CMPs. Furthermore, it was shown that even though the surface expression of GFRs on these progenitors coincides with the supposed regulating functions of the corresponding GFs, it cannot always be predicted by the gene expression. More specific studies of the proposed CMP revealed that this is a heterogeneous population, composed of a fraction of multipotent cells that are susceptible to extrinsic regulation of lineage fate and a fraction of lineage-polarized or committed cells, which differentiate along their respective lineages regardless of the presence or absence of different GFs. However, it has proven difficult to find surface markers that separate these functional subcompartments and it is possible that they only differ in their expression of transcription factors and other intrinsic molecules.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I blodet finns röda och vita blodkroppar eller blodceller, som är nödvändiga för vår överlevnad. Blodcellerna utvecklas i benmärgen från gemensamma ursprungsceller, så kallade stamceller och en konstant nyproduktion pågår genom hela livet. Under produktionen av mogna celler tillväxer och delar sig cellerna och får allt mer specialiserade egenskaper. Denna specialisering kan ske längs olika utvecklingslinjer, tills cellerna når det mogna cellstadiet för en speciell celltyp och transporteras ut i kroppen via blodet. De färdiga blodcellerna kan delas upp i två grupper; de myeloida cellerna och de lymfoida cellerna. Myeloida blodceller innefattar syretransporterande röda blodkroppar, blodplättar med en viktig funktion i blodkoagulering och sårläkning, samt vita blodkroppar, såsom neutrofiler och monocyter, som ger ett snabbt skydd mot infektioner. De likaledes vita lymfoida cellerna verkar istället senare i vårt infektionsförsvar och gör oss immuna mot nya infektioner. För att det alltid skall finnas rätt nivåer av de olika celltyperna regleras produktionen mycket noga. Till exempel är förekomsten av olika transkriptionsfaktorer inne i cellerna central för utmognaden och för cellernas egenskaper. Transkriptionsfaktorerna är en grupp proteiner som styr vilka gener som är aktiva och ger upphov till ny proteinproduktion. Även cellens omgivning påverkar utvecklingsprocessen, bland annat via förekomsten av olika tillväxtfaktorer som binder specifika molekyler på cellens yta, receptorer, vilka sedan vidarebefordrar signaler in i cellen. Dessa signaler påverkar bland annat förekomsten och funktionen av transkriptionsfaktorerna och olika tillväxtfaktorer stödjer utvecklingen av olika celltyper. När blodcellsproduktionen inte fungerar normalt, resulterar det i allvarliga och ofta dödliga sjukdomar såsom leukemi (blodcancer).



Tyvärr är dock vår förståelse av hur blodcellernas utveckling går till och hur den kontrolleras något begränsad. I detta arbete fokuserade jag på att öka förståelsen av den normala utvecklingen av de myeloida cellerna och jag använde mig av celler utvunna från human (mänsklig) benmärg. Under pågående specialisering av blodcellerna ändras deras uttryck av proteiner på ytan (t.ex. tillväxtfaktorreceptorer) och inuti cellerna (t.ex. transkriptionsfaktorer) kontinuerligt och därför kan karakterisering av detta uttryck användas både för ökad förståelse av utvecklingen och för att identifiera specifika utvecklingsstadier för fortsatta studier. Därför började jag mina försök med att rena fram omogna blodceller från benmärgen och odla dem tillsammans med specifika tillväxtfaktorer för att framkalla utmognad till antingen röda eller neutrofila celler. Sedan användes dessa celler för att kartlägga mognads-associerade förändringar i uttrycket av transkriptionsfaktorer, tillväxtfaktorreceptorer och andra markörproteiner utanpå eller inuti cellerna. Denna ?karta? kan användas för att identifiera cellinjetillhörighet och mognadsstadie för specifika grupper av celler.



Därefter fann jag att ytuttrycket av en speciell tillväxtfaktorreceptor, trombopoietinreceptorn, kan användas tillsammans med tidigare identifierade ytmarkörer för att separera tre olika utvecklingsstadier i den myeloida utmognaden. Det vill säga en grupp celler som kan utvecklas till alla myeloida celltyper (kallad CMP) och två grupper med celler som begränsat sin utvecklingspotential till några av dessa typer. De två senare stadierna mognade antingen till röda celler och blodplättar (MEP) eller neutrofiler och monocyter (GMP).



Vid vidare studier av CMP-cellerna fann jag dock att de innefattar flera olika celltyper. I en grupp CMP-celler kan varje cell utvecklas till alla myeloida celltyper och deras val påverkas av vilka tillväxtfaktorer de omges av. Andra celler ger framför allt upphov till antingen röda celler eller neutrofiler och kan inte förmås att ändra utvecklingsväg med yttre faktorer. Det skulle vara önskvärt att separera dessa olika grupper från varandra, men det är inte säkert att de skiljer sig åt tillräckligt mycket, när det gäller uttryck av ytmarkörer, för att göra detta möjligt.



Mitt arbete har ökat våra kunskaper om de första stegen i myeloid blodutveckling och underlättar avsevärt för fortsatta studier av denna process och dess reglering. Bättre kunskaper om den normala processen, både när det gäller utvecklingsvägar för olika celltyper och deras reglering, kan även förbättra vår förståelse av vad som går fel i olika blodsjukdomar och hur de skulle kunna behandlas.

• author: Edvardsson, Louise
• supervisor: Tor Olofsson
• opponent: professor Johnsen, Hans E, Division of Haematology, Medical Centre, Aalborg Hospital, Aarhus University Hospital, Denmark
• organization: Division of Hematology and Transfusion Medicine
• publishing date: 2006
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Hematology
• keywords: Medicine (human and vertebrates), extracellular fluids, Haematology, Medicin (människa och djur), thrombopoietin receptor, hematopoiesis, transcription factors, growth factor receptors, human myeloid progenitors, Hematologi, extracellulära vätskor
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• pages: 170 pages
• defense location: The Pathology lecture hall, Sölvegatan 25, Lund
• defense date: 2006-05-12 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 91-85481-79-3
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: L. Edvardsson, J. Dykes, M.L. Olsson and T. Olofsson. 2004. Clonogenicity, gene expression and phenotype during neutrophil versus erythroid differentiation of cytokine-stimulated CD34+ human marrow cells in vitro Br. J. Haematol., pp 451-463.; L. Edvardsson, J. Dykes and T. Olofsson. 2006. Isolation and characterization of human myeloid progenitor populations - TpoR as discriminator between common myeloid and megakaryocyte/erythroid progenitors Exp Hematol., (inpress); L. Edvardsson and T. Olofsson. . Phenotypic and functional heterogeneity within the human common myeloid progenitor (CMP) - population (manuscript)
• id: c4a5f4cd-6653-43ec-8b63-48d9b86b5037 (old id 546621)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:42:57
• date last changed: 2019-05-21 21:50:33