Regulation of Apoptosis in Hematopoietic Progenitor Cells: Involvement of Different Signaling Pathways

Abstract

Proliferation, differentiation, and survival of hematopoietic stem cells and multipotent progenitor cells are regulated by cytokines and cell-cell interactions. Kit ligand (KL) and Flt3 ligand (FL) have pleiotropic effects, promotes survival, but are nonredundant. Using myeloid progenitor cell lines and mouse bone marrow-derived Lin- progenitors, we demonstrate that inhibition of phophatidylinositol (PI) 3-kinase abolish survival mediated by KL, whereas survival via FL is only partially affected. KL and FL both activate Akt, leading to inhibitory phosphorylation of the transcription factor FoxO3. Overexpression of constitutively active FoxO3, FoxO3(A3):ER, induced apoptosis even in the presence of KL or FL, indicating that inactivation of FoxO3 is crucial for signaling via both c-Kit and Flt3. Induction of FoxO3(A3):ER also inhibited myeloid and erythroid colony formation of Lin- progenitors. In addition FL, but not KL, induced expression of Bcl-2 and Bcl-xL. By overexpressing Akt and Bcl-2 we demonstrate that Bcl-2 is the better mediator of survival than Akt. However, Akt was crucial for KL-mediated survival since overexpression of dominant negative Akt induced apoptosis. We also conclude that Akt and Bcl-2 have synergistic effects since their coexpression was a far better mediator of survival than either one acting alone. In AML, Flt3 is commonly mutated via internal tandem duplications, rendering it constitutively active. Introducing Flt3-ITD into an IL-3 dependent progenitor cell line rendered it factor-independent. Both Akt and FoxO3 were phosphorylated in the absence of FL and several Bcl-2 family members were upregulated. In fact, Flt3-ITD activated additional Bcl-2 family members not activated by normal Flt3. Finally we found that PI3-kinase and an unidentified Src kinase were important for survival via Flt3-ITD. Signaling via normal Flt3 and Flt3-ITD differs in some aspects and disruption of specific Flt3-ITD signals may be potential targets for treatment.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Varje dag bildas ca en biljon nya blodceller i en vuxen person. Eftersom blodceller är relativt kortlivade sker denna nyproduktion ständigt. Alla dessa celler härstammar från en sorts cell, multipotenta blodstamceller. Genom en gradvis mognadsprocess, genereras röda blodkroppar (erytrocyter), vita blodkroppar (granulocyter, lymfocyter och monocyter) och blodplättar (trombocyter). Dessa tar hand om syreförsörjning av kroppens olika organ, infektioner i kroppen och koagulering av blod. Blodets stamceller kan tillgodose detta enorma behov av celler under en individs hela liv, och för att detta ska kunna ske krävs en kontrollerad reglering av deras funktioner. Defekter i denna reglering kan leda till att olika former av leukemier kan utvecklas. Blodstamceller befinner sig i benmärgen. I denna unika miljö påverkas de av intilliggande celler via speciella ämnen, tillväxtfaktorer, som utsöndras av celler i deras närhet. På utsidan av celler, inklusive stamceller, finns ett antal olika receptorer. Tillväxtfaktorer i den omgivande miljön kan binda till dessa receptorer och då detta sker aktiveras ett antal processer inuti cellen. Detta kan i slutändan leda till att en cell bestämmer sig för att dela sig, mogna eller bara helt enkelt överleva. Celler kan inte dela sig ett obegränsat antal gånger. Därför är det viktigt för en stamcell att kunna befinna sig i ett vilande stadium, utan varken celldelning eller utmognad för att inte uttömma hela stamcellspoolen. Detta vilande stadium upprätthålls då cellen instrueras att förhindra programmerad celldöd. Programmerad celldöd, eller apoptos som det även kallas, är ett kontrollerat sätt för kroppen att göra sig av med defekta celler. För att upprätthålla jämvikten i blodbildningen balanseras ständigt celldelning, utmognad och vila av apoptos. Syftet med detta arbete har varit att studera olika överlevnadsmekanismer i blodets stamceller.



I denna avhandling har jag studerat två specifika tillväxtfaktorer, Kit liganden (KL) och Flt3 liganden (FL) och hur de kan instruera celler att överleva. Dessa två tillväxtfaktorer är speciellt viktiga för blodets stamceller, och receptorerna som de binder till är uttryckta på många olika sorters celler, inklusive blodstamceller. Då tillväxtfaktorer binder till en receptor aktiveras denna. Detta i sin tur påverkar olika signaleringsvägar inuti cellen.



I mina första tre delarbeten konstaterade jag att både KL och FL aktiverar PI3-kinas/Akt-vägen. Aktivering av denna väg leder i sin tur till att transkriptionsfaktorn, FoxO3, inaktiveras. Transkriptionsfaktorer kan binda in till DNA och reglera uttrycket av specifika gener. FoxO3 har visats aktivera ett flertal gener som leder till celldöd. Detta innebär att inaktivering av FoxO3 leder till förbättrad överlevnad. Då jag på konstgjord väg aktiverade FoxO3 visade det sig att detta resulterade i celldöd trots närvaro av KL eller FL. Detta innebär att inaktivering av FoxO3 är ytterst viktigt för att dessa båda skall kunna leda till överlevnad. Jag fann även att FL till skillnad från KL aktiverar ytterligare överlevnads-faktorer som kallas Bcl-2 proteiner. I delarbete IV kunde jag konstatera att Bcl-2 var en bättre överlevnadsfaktor än Akt, och att en kombination av de båda var ännu bättre.



Receptorer och de signaleringsvägar de aktiverar är ofta förändrade vid olika tumörsjukdomar. Man har konstaterat att Flt3 receptorn är förändrad i upp till 30% av alla patienter med akut myeloid leukemi, AML. Denna förändring innebär att receptorn är aktiverad oavsett om dess ligand binder till den eller inte. I det sista delarbetet undersökte vi signaleringen via en förändrad Flt3 och kunde konstaterade att ett flertal överlevnadsvägar var aktiverade oavsett om FL hade bundit till receptorn eller ej. Detta innebär att oavsett vilka signaler de får från sin omgivande miljö, så kommer celler som uttrycker en sådan receptor att överleva och dela sig.



Hur stamceller regleras studeras flitigt. Genom ökad förståelse av hur stamceller reagerar på olika stimuli kan man i slutändan utveckla effektivare metoder för t ex benmärgs-transplantationer. I vissa fall genomför man så kallade stamcellstransplantationer, då man isolerar stamceller från donatorns blod och för in i mottagaren. Det hade varit önskvärt att kunna veta hur man ska få dessa celler att överleva en längre tid och dela sig både utanför och i kroppen. Genom fortsatta studier av hur stamceller regleras kan man kanske i slutändan åstadkomma detta, vilket skulle innebära ett stort framsteg för stamcells-forskningen och för eventuella framtida terapier.

• author: Kraft, Maria
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Rodewald, Hans-Reimer, University of Ulm, Germany
• organization: Department of Translational Medicine
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cancer and Oncology
• keywords: cytokines, apoptosis, cell cycle, c-Kit, Flt3, Flt3-ITD, Akt, Bcl-2, FoxO3, mouse, hematopoiesis, progenitor
• pages: 128 pages
• defense location: Main lecture hall, Pathology building, University Hospital MAS
• defense date: 2004-12-17 10:15:00
• ISBN: 91-89625-38-2
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: Karlsson R, Engström M, Jönsson M, Karlberg P, Pronk C.J.H, Richter J, Jönsson JI. 2003. Phosphatidylinositol 3-kinase is essential for kit ligand mediated survival, whereas interleukin-3 and flt3 ligand induce expression of anti-apoptotic Bcl-2 family genes. J. Leukoc. Biol. 74:923-931. Article: Engström M, Karlsson R, Jönsson JI. 2003. Inactivation of the forkhead family transcription factor FoxO3 is essential for PKB-mediated survival of hematopoietic progenitor cells by kit ligand. Exp. Hematol. 31:316-323. Article: Jönsson M, Engström M, Jönsson JI. 2004. FLT3 ligand regulates apoptosis through AKT-dependent inactivation of transcription factor FoxO3. Biochem. Biophys. Res. Commun. 318:899-903. Article: Engström M, Karlsson R, Jönsson M, Jönsson JI. Cooperativity between Akt and Bcl-2 leads to prolonged anti-apoptotic signaling and cell survival but only to short-term cell cycle progression. Submitted. Article: Engström M, Hummerdal P, Jönsson JI. Flt3-ITD induces factor-independent cell survival by activation of the PI3-kinase/Akt pathway and upregulation of anti-apoptotic Bcl-2 family members. Manuscript. The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Molecular Medicine (013031200)
• id: 3fc20ef4-cfcd-4295-a2b8-73e17ba1ba55 (old id 467533)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:04:30
• date last changed: 2018-11-21 21:08:50