THE HYPOXIC HEMATOPOIETIC STEM CELL NICHE Consequences of Hypoxia-induced Transcription on Stem Cell Fate

Abstract

Hematopoiesis is the process of blood formation that originates with the hematopoietic stem cell (HSC), a cell type that is responsible for the life-long supply of mature blood cells. HSCs are defined by their ability to self-renew as well as giving rise to differentiated cells of all blood lineages. Because of these features, HSCs are also the basis for bone marrow transplantation regimens for treatment of leukemia and various other hematopoietic disorders. HSCs reside in the bone marrow of adult mammals, in the so called niche. The HSC niche refers to the specific anatomical region where the stem cells reside, but also to the regulatory microenvironment consisting of adjacent cells and factors produced by these. An important feature of the HSC niche seems to be a relatively low level of oxygen: hypoxia. Hypoxia leads to activation of Hypoxia-Inducible Factors (HIF). We have investigated the role of hypoxia and HIFs in HSC biology. By in vitro hypoxic treatment, we could show that hypoxia leads to less proliferation of HSCs, with up-regulation of cell-cycle inhibitory genes, while full reconstitution potential of irradiated recipient mice is preserved. Ectopic activation of HIF, mediated by retroviral overexpression in hematopoietic stem and progenitor cells (HSPC), leads to even less proliferation and a disability to sustain hematopoiesis in vivo. The role of the HIF target gene Vegfa was studied in a mouse model where hypoxia-induced transcription of Vegfa is abrogated (Vegfaδ/δ). HSCs could be maintained under steady-state conditions without hypoxic induction of Vegfa. In transplantation assays however, we show that when Vegfa upregulation upon hypoxia is lacking, adult HSC function is clearly impaired. On the contrary, HSCs isolated from the fetal liver of developing Vegfaδ/δ mice had a normal function. Furthermore, we show that erythropoiesis during development and to a lesser extent in the adult involves hypoxic Vegfa expression. In summary, this thesis contributes new findings to the role of the hypoxic HSC niche. We show that hypoxia and HIFs are involved in regulating HSC proliferation. Furthermore, hypoxia-induced Vegfa is identified as an important player in HSCs.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Stamceller är unika celler som har möjlighet att både förnya sig själva och ge upphov till en mängd mogna celler. Den ultimata stamcellen är det befruktade ägget, som är den cell som efter omfattande celldelning kommer att ge upphov till alla vävnader och celler i den färdigutvecklade kroppen. Dessa celler kallas därför pluripotenta. Även i den färdigutvecklade kroppen måste vävnader förnyas och repareras. Detta sker med hjälp av vävnadsspecifika stamceller, som också de har förmågan att självförnya sig men som endast kan bilda de olika celltyper som finns inom en och samma vävnad. De är multipotenta. Ett exempel på en vävnadsspecifik, multipotent stamcell är de blodbildande stamcellerna. Dessa celler finns i benmärgen och kan bilda alla olika typer av celler som finns i blodet, inklusive röda och vita blodkroppar. Blodstamceller är grunden till att man kan behandla en rad blodsjukdomar med hjälp av benmärgstransplantation. På samma gång är stamcellerna troligen involverade i den process där leukemi (blodcancer) uppstår. Blodstamceller kan också användas till genterapi där man ersätter skadade gener och därmed har möjlighet att bota olika medfödda sjukdomar. För att kunna utveckla och förbättra dessa behandlingar krävs en större kunskap om hur blodstamcellernas biologi inuti benmärgen fungerar.

Processen där stamceller självförnyas och blir till mogna celler styrs av gener och proteiner inuti cellerna, som i sin tur kan påverkas av andra celler eller faktorer i närheten av stamcellerna i benmärgen. Syrehalten inuti benmärgen varierar och blodstamceller sitter troligen på de ställen där syrehalten är relativt låg (hypoxi) och påverkas därför av Hypoxia Inducible Factor (HIF). Vi har undersökt hur hypoxi och gener som aktiveras av HIF kan påverka blodstamceller på olika sätt. Eftersom människans biologi är mycket lik den i andra däggdjur, har vi använt stamceller från möss som en modell för att studera detta.

För att undersöka hur hypoxi påverkar blodbildande stamceller har vi isolerat stamceller från benmärgen i möss och därefter odlat dem i en syrefattig miljö. Vi har funnit att dessa celler delar sig långsammare. Detsamma sker när aktiviteten av HIF ökar utöver det vanliga vilket vi åstadkommit genom att överföra HIF-genen till blodceller med hjälp av ett virus. Viruset är modifierat på så sätt att det inte kan orsaka en infektion som sprider sig utan endast kan gå in i celler och leverera HIF-genen och sedan inte föröka sig ytterligare. En ökad HIF-aktivitet i blodstamceller sätter igång uttryck av gener som förhindrar celldelning. I benmärgen kan hypoxi därför vara ett sätt att minska celldelning hos blodstamceller, något som anses viktigt för att upprätthålla en kontrollerad blodbildning, utan att cancer uppstår. Vi har också studerat VEGF, en annan gen som aktiveras av HIF. I en muterad musstam som inte uttrycker VEGF till följd av hypoxi fungerar stamcellerna sämre. Detta betyder att VEGF i normala fall är viktigt i den hypoxiska benmärgen för att stamcellerna ska kunna fungera. Sammantaget verkar det som att syrefattiga delar av benmärgen påverkar blodbildande stamceller på flera sätt. Olika gener som förhindrar celldelning samt påverkar cellens överlevnad och funktion aktiveras.

• author: Rehn, Matilda
• supervisor: Jörg Cammenga; Stefan Karlsson
• opponent: Adams, Gregor, Keck Shool of Medicine, University of Southern California
• organization: Division of Molecular Medicine and Gene Therapy; StemTherapy: National Initiative on Stem Cells for Regenerative Therapy
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Hematology
• keywords: Hematopoietic Stem Cells, Stem Cell Niche, Hypoxia, Hypoxia-Inducible Factor, Vegfa.
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2011:73
• pages: 125 pages
• defense location: Segerfalksalen, BMC A10
• defense date: 2011-09-09 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-86871-23-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 57a46ad8-e191-414e-80bb-a3334cf8a17c (old id 2063863)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:46:20
• date last changed: 2020-09-28 14:34:04