FLT3 receptor in normal and malignant hematopoiesis

Abstract

All hematopoietic cells originate from hematopoietic stem cells (HSCs) residing in the bone marrow (BM). The classical model of hematopoietic lineage commitment, that has been the prevailing model for hematopoiesis, proposes that the first lineage commitment step of HSCs and progenitors results in a strict separation of myelopoiesis and lymphopoiesis. However, an alternative model has already been suggested by introducing the lymphoid-primed multipotent progenitors (LMPPs) which highly express the receptor tyrosine kinase FLT3, and have sustained lymphoid and myeloid potentials, but little or no megakaryocyte/erythroid (MkE) potential. In this work, we further characterized LMPPs by applying clonal single cell culture assay, global gene expression analysis and multiplex single cell PCR assay. We demonstrated that LMPPs could generate myeloid, B- and T- cells at very high frequencies in culture but had very low MkE potential, and that MkE transcriptional priming was downregulated in LMPPs whereas lymphoid priming was upregulated, and lymphoid genes were coexpressed with myeloid genes. We could also show that the MkE potential of LMPP segregated almost entirely with the expression of thrombopoietin receptor (THPOR) in this population. Besides, using RAG1-GFP reporter mice, we could demonstrate that the GM potential is sustained but gradually reduced with increasing levels of lymphoid transcriptional priming within the LMPP compartment, suggesting the lineage restriction process from HSCs to LMPPs occurs as a gradual process.

FLT3 plays an important role in normal hematopoiesis. Moreover, gain of function mutations of FLT3 has been reported in about one third of acute myeloid leukemia (AML) patients. The most common mutation of FLT3 is the internal tandem duplication (ITD) of its juxtamembrane domain, which confers a poor clinical prognosis. The clinical outcome is even worse in those patients who lose the FLT3 wild type (WT) gene. Using an Flt3-ITD knockin mouse model crossed with FLT3 receptor knockout mice, we could demonstrate that the development of a myeloproliferative disease in these mice is dependent both on ITD gene dosage as well as the absence of the WT allele. Further, we found that the development of the myeloproliferative disease in Flt3-ITD homozygous mice was FLT3 ligand independent.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Blod består av flera olika typer av mogna celler som har specialiserat sig på olika uppgifter, till exempel transporterar röda blodkroppar, erytrocyter, syre, medan lymfoida celler, sk B och T-celler är en del av vårt immunförsvar. Alla dessa mogna celler kan bildas från en cell, nämligen den hematopoietiska stamcellen. Stamcellens dotterceller utvecklas sedan till mer mogna celler, i en hierarkisk bestämd ordning, där myeloida celler (trombocyter,erytrocyter, granulo- och monocyter) anses ha en gemensam stamfader, medan lymfoida celler har en annan. Stamcellerna och deras dotterceller kan identifieras med hjälp av receptorer på cellens yta. Stamceller har visat sig uttrycka receptorerna Sca-1 och c-KIT, samt vara negativ för markörer som finns på mogna celler (Linje negativa), förkortat LSK populationen. Flt3 är en annan ytmarkör som hör till gruppen tyrosine kinase receptorer, som visat sig ha stor betydelse för utveckling av lymfoida celler, men uttrycks också på celler inom LSK populationen. Tidigare studier från vårt laboratorium har utmanat den strikta indelningen mellan lymfoida och myeloida förstadieceller. Genom att sortera ut de celler inom LSK populationen som uttrycker högst nivåer av Flt3, har man funnit en cellpopulation som ger upphov till lymfoida och granulo – monocyter, men inte trombocyter och erytrocyter. Cellpopulationen kom att kallas‘‘lymphoid primed multipotent progenitor”, LMPP.



LMPPs existens kom att ifrågasättas och en grupp forskare visade i transplantationsförsök att man faktiskt kunde få trombocyter och erytrocyter från dessa celler, fast i låg frekvens. Dessa försök visade dock inte om detta berodde på att LMPP populationen var heterogen, eller om populationen som helhet kunde bilda erytrocyter och trombocyter. Vi antog det förstnämnda och försökte rena populationen baserat på en ytmarkör kallad trombopoetin receptor, som liksom namnet antyder, är viktig för utveckling av trombocyter. Vi fann att receptorn för trombopoetin är uttryckt på en ganska stor fraktion av LMPP celler och kunde dela upp den i en positiv och en negativ fraktion. Våra data visar tydligt att det är den tromobpoetinreceptor positiva delen av LMPP populationen som ger upphov till den låga frekvens av erytrocyter och trombocyter som finns i LMPP populationen som helhet, och vi visar att de flesta LMPP totalt saknar erytroid och trombocytpotential. Vi har också kunnat karaktärisera en LMPP population under fosterstadiet i fetal lever. (Artikel I och II)



Intressant nog har Flt3 receptorn också betydelse vid uppkomsten av leukemi, och har visat sig vara den enskilt vanligaste muterade genen vid AML, där upp till var tredje patient bär på en mutaterad receptor. Den vanligaste mutationen i AML kallas ITD, internal tandem duplication, och den mutationen har visat sig vara kopplad till sämre prognos för patienten. Prognosen anses än värre om båda generna för Flt3 receptorn har ITD mutationen, men det är oklart om detta beror på att man har två ITD mutationer, eller om detta beror på att man saknar normal Flt3 signalering. När receptorn är muterad tros den kunna signalera utan aktivering av sin ligand, Flt3 ligand, men vissa studier har pekat på att liganden ändå kan ha en roll i sjukdomen. Dessa frågor kan ha stor klinisk betydelse för att kunna avgöra patientens prognos, och kunna ge rätt behandling. Andra delen av min avhandling fokuserar på dessa viktiga frågor. Det finns nu en musmodell som har ITD mutation i Flt3 receptorn, och som utvecklar en myeloproliferativ sjukdom. Genom att korsa dessa möss med möss som saknar liganden för Flt3 har jag kunnat visa att liganden inte påverkar sjukdomsförloppet. Jag har också korsat ITD-mössen med möss som saknar receptorn för Flt3. Sjukdomsförloppet visade sig påverkas negativt om båda generna bar på ITD mutationen, som förväntat, men också i situationen där mössen förlorade den enda normala Flt3 genen, dvs de saknade normal Flt3 signalering. (Artikel III)

• author: Kharazi, Shabnam
• supervisor: Sten Eirik W Jacobsen; Ewa Sitnicka Quinn
• opponent: Prof Jönsson, Jan-Ingvar, Institutionen för klinisk och experimentell medicin (IKE), Linköpings universitet
• organization: Stem Cell Center; Hematopoietic Stem Cell Laboratory-lup-obsolete (research group)
• publishing date: 2010
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cell and Molecular Biology
• keywords: FLT3-ITD, FLT3, lineage commitment, acute myeloid leukemia, myeloprolifetaive disease, hematopoietic stem cell
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2010:89
• pages: 140 pages
• defense location: Segerfalk lecture hall
• defense date: 2010-09-13 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-86671-05-1
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Hematopoietic Stem Cell Laboratory (013022012)
• id: 141c01df-e1f1-4365-8a9c-3dc24af4849d (old id 1659086)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:49:07
• date last changed: 2019-05-22 03:18:02