Laminins and Fibulins in Bone Marrow

Abstract

Development of hematopoietic cells in bone marrow takes place in association with the hematopoietic microenvironment. Extracellular matrix (ECM) molecules and stromal cells in bone marrow provide a structural environment for hematopoietic cells, but they also directly influence proliferation, differentiation and migration of cells by signal transduction mediated by ligand binding to cell surface adhesion receptors.



Laminins are ECM proteins, which influence cellular phenotype and functions via integrins and other receptors. We found that the laminin isoforms, laminin-8 (alpha 4 beta 1 gamma 1) and laminin-10 (alpha 5 beta 1 gamma 1) were expressed in bone marrow at sites of hematopoietic cell development and migration. In functional assays, laminins containing the alpha 5 chain (laminin-10/11) and the alpha 4 chain (laminin-8) were adhesive for a mouse multipotent progenitor cell line, isolated human hematopoietic stem and progenitor cells (CD34+CD38- and CD34+), and more differentiated human hematopoietic cells. Most human bone marrow stem and progenitor cells expressed the integrin alpha 6 chain. The integrin alpha 6 beta 1 receptor mediated adhesion of these cells to both laminin isoforms. Both laminin-8 and laminin-10/11 facilitated transmigration of human CD34+ cells by an integrin alpha 6 mediated mechanism, and laminin-10/11 in addition promoted proliferation of CD34+ progenitor cells, suggesting a physiological role of laminins during hematopoiesis.



We also studied the expression of ECM proteins, fibulin-1 and fibulin-2 in bone marrow. A high degree of co-localization of fibulins with a major bone marrow cell adhesive ECM protein, fibronectin, was found in cultured bone marrow stroma. This suggests that fibulins might influence cell adhesion to fibronectin in bone marrow. Glucocorticoids down-regulated expression of several ECM proteins in bone marrow, including fibronectin, fibulin-1, and fibulin-2, suggesting that one of the mechanisms through which glucocorticoids regulate hematopoiesis may be by modifying the ECM in bone marrow stroma.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Utveckling av blodbildande celler sker i benmärgens mikromiljö, som består av cytokiner och tillväxtfaktorer, stromaceller samt extracellulära matrixmolekyler. Extracellulära matrixproteiner och stromaceller i benmärgen utgör en strukturell miljö för hematopoietiska celler, men adhesiva cell-cell och cell-matrix interaktioner påverkar också direkt hematopoietiska cellers överlevnad, proliferation, differentiering samt specialiserade funktioner. I denna studie analyserades förekomst och funktion av vissa extracellulära matrixmolekyler, lamininer och fibuliner, i benmärgen.



Lamininer är heterotrimera proteiner som består av varianter av a, b och g kedja. Tillsvidare har 15 olika isoformer beskrivits. Det har tidigare visats att laminin-1 (a1b1g1) är adhesiv till främst mogna hematopoietiska celler, men denna laminin-isoform kunde inte påvisas i benmärgen. Däremot kunde vissa andra laminin-isoformer identifieras in benmärgen. Laminin-8 (a4b1g1) var uttryckt i det subendotheliala basalmembranet i sinusoider och i de intersinusoidala utrymmet i den hematopoietiska vävnaden, medan laminin-10 (a5b1g1) i vuxen benmärg kunde påvisas i det subendoteliala basalmembranet i sinusoider. Dessa lamininer kunde därför påverka de hematopoietiska cellernas utveckling och migration i benmärgen.



Det tillsvidare bäst karakteriserade adhesionsproteinet i benmärgen är fibronektin. Eftersom laminin-8 och -10 var väl uttryckta i benmärgen, jämfördes hur hematopoietiska stam-och progenitorceller (CD34+CD38-, CD34+) fäster sig till olika lamininer och till fibronektin. Av benmärgens stam- och progenitorceller fäste sig 40-50% till laminin-10/11 och fibronektin, medan en mindre fraktion fäste sig till laminin-8 och laminin-1. Majoriteten (80-90%) av benmärgens stam-och progenitorceller uttryckte laminin receptor integrin a6 kedjan. Både integrin a6A och a6B mRNA splice varianterna kunde visas i båda cellfraktionerna. Genom att använda funktionellt aktiva monoklonala antikroppar visades att cellerna använde integrin a6b1 receptorn för att fästa sig till både laminin-8 och laminin-10/11. Mera mogna progenitorceller, som analyserades genom deras förmåga att bilda myeloiska (CFU-GM) och erythroida (BFU-E) kolonier i odlingar i metylcellulosa, var också adhesiva till laminin-10/11, och mindre adhesiva till laminin-8. Även differentierade myeloiska och lymfatiska cellinjer kunde fästa sig till laminin-10/11. Laminin-10/11 stimulerade även proliferation av progenitorceller, och både laminin-8 and laminin-10/11 stimulerade in vitro migration av progenitorceller via integrin a6 receptorn. Interaktionerna mellan a4- och a5-lamininer i benmärgens stroma och integrin a6 receptorn i hematopoietiska stamceller och mera mogna hematopoietiska celler kunde vara viktiga för regleringen av den normala hematopoietiska utvecklingen.



I arbetena visases också att två nyligen karakteriserade extracellulära matrixproteiner, fibulin-1 och fibulin-2, är uttryckta i benmärgen. Konfokal mikroskopi visade att båda fibulin isoformerna var intimt associerade med fibronektin i det adherenta stromat i benmärgskulturer. Fibulin-2 från mus var adhesivt till humana erythroid-megakaryocytleukemiska HEL celler, men var däremot inte adhesivt till megakaryocyter från mus. Resultaten tyder på att fibulin-1 och fibulin-2 kan påverka hematopoies genom att hämma celladhesion till fibronektin, medan adhesion av humana celler genom b3 integrin receptorn till RGD sekvensen i mus fibulin-2 är inte är relaterad till proteinets biologiska funktion.



I benmärgskulturer är tillsats av glukokortikoider viktigt för utveckling av cell-stroma interaktioner som främjar överlevnad av stamceller och utveckling av myeloiska celler. Mekanismerna har dock förblivit tämligen oklara. I arbetena visades att glukortikoider nedreglerar syntesen av flera extracellulära matrixproteiner. I adherenta celler i benmärgskulturer sänkte glukokortikoider mRNA och protein nivåerna av fibronektin, fibulin-1 och fibulin-2, medan uttrycket av nidogen-1 inte påverkades. En möjlighet är alltså att glukokortikoider påverkar hematopoiesen genom att modifiera den molekylära sammansättningen av benmärgens extracellulära matrix.

• author: Gu, Yu-Chen
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Patarroyo, Manuel, The Microbiology and Tumor Biology Center, Karolinska Institutet, SE-171 77, Stockholm
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 2002
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Basic Medicine
• keywords: glucocorticoids, integrin, Immunology, serology, Immunologi, serologi, transplantation, Cytology, oncology, Biokemi, Metabolism, Biochemistry, cancer, onkologi, cancerology, Cytologi, fibulin, laminin, bone marrow
• pages: 154 pages
• defense location: Rune Grubb Salen, BMC, Lund
• defense date: 2002-05-27 10:15:00
• ISBN: 91-628-5159-4
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Gu YC, Sorokin L, Durbeej M, Hjalt T, Jönsson JI, Ekblom M. (1999). Characterization of bone marrow laminins and identification of a5-containing laminins as adhesive proteins for multipotent hematopoietic FDCP-Mix cells. Blood. 93:2533-2542. Article: II. Gu YC, Nilsson K, Eng H, Ekblom M. (2000). Association of extracellular matrix proteins fibulin-1 and fibulin-2 with fibronectin in bone marrow stroma. Br J Haematol. 109:305-313. Article: III. Gu YC, Talts JF, Gullberg D, Timpl R, Ekblom M. (2001). Glucocorticoids down-regulate the extracellular matrix proteins fibronectin, fibulin-1 and fibulin-2 in bone marrow stroma. Eur J Haematol. 67:176-184. Article: IV. Gu YC, Kortesmaa J, Tryggvasson K, Persson J, Ekblom P, Jacobsen SE, Ekblom M. (2002). Isoform specific promotion of adhesion, migration and proliferation of bone marrow progenitor cells by laminins. Submitted.
• id: d7ad11b0-92ec-4a67-90f6-a96cf1572245 (old id 464564)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:22:56
• date last changed: 2018-11-21 21:04:29