Regulation of Hematopoietic Stem Cells

Abstract

This thesis is about the regulation of hematopoietic stem cells (HSCs) that represent rare cells residing in the bone marrow (BM) of adults. They are multipotent cells that have the capacity to differentiate to all mature cells of the blood system and have the capacity to self-renew, i.e. generate new HSCs. These cells have tremendous therapeutic potential to treat a variety of hematopoietic disorders through blood and marrow transplantation. Today, peripheral blood (PB) is the most commonly used source of HSCs since HSCs can be mobilized from BM to peripheral blood. A third more convenient source for harvesting HSCs is cord blood (CB). However, the yield of HSCs in CB is too low for successful transplantation to most adult patients. Thus, ideally HSCs from CB needs to be increased in number (expanded) ex vivo before transplantation. Expansion of HSCs holds great promise but has been met with limited success due to incomplete knowledge regarding regulation of HSCs. Thus, deeper understanding of the regulatory mechanisms that govern HSCs fate is critical to allow expansion of HSC ex vivo and improve HSC-based therapies.

The studies presented in this thesis have identified factors involved in the regulation of HSC fate decisions. In summary, our results demonstrate that increased Smad4 expression, a key component in the transforming growth factor-β (TGF-β) signaling pathway, sensitizes human CB HSPCs to TGF-β. This leads to growth arrest and apoptosis in vitro and reduced HSPC reconstitution capacity in vivo with no effect on lineage distribution. Together, these findings demonstrate an important role for TGF-β signaling in the regulation of human HSCs in vivo (Article I). Furthermore, with the purpose to investigate and characterize a novel regulator, we have studied the role of pigment epithelium-derived factor (PEDF) in murine HSCs. Absence of PEDF leads to reduced HSC numbers and impaired engraftment following transplantation. Here, we report for the first time that PEDF is a critical regulatory factor for HSC function (Article II). Last, we have identified the cell surface antigen CD9 as a positive marker for HSCs that provides a simple alternative for stem cell isolation at high purity. Using CD9 as a tool we have dissected heterogeneity within the HSC pool as defined by CD9 expression (Article III).

Taken together, we have identified several molecules of human and murine HSCs that are important for stem cell function and fate outcome.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Det finns celler i vår kropp som har ett livslångt ansvar att tillverka alla blodceller. De kallas blodstamceller, eller hematopoetiska stamceller, och är en till antalet liten population celler som har den enorma kapaciteten att göra 1012 blodceller om dagen under hela vårt liv. Blodstamceller har multipotentiell differentieringsförmåga dvs. de kan bilda alla mogna blodceller från röda blodkroppar som transporterar syre, vita blodkroppar som ingår i immunförsvaret till blodplättar som stoppar blödning. Men de kan förutom att göra alla celler i blodet också göra kopior av sig själva, s.k. självförnyelse, där stamcellens egenskaper bibehålls i minst en dottercell efter celldelning. Denna unika förmåga gör att dessa celler kan användas i kliniskt syfte t.ex. vid benmärgstransplantation för att behandla blodsjukdomar som leukemi. Blodstamceller finns i benmärgen men också i navelsträngsblod varifrån de kan renas fram och användas för att transplantera patienter. Navelsträngsblod, som i vanliga fall är en restprodukt från födseln, är en lättåtkomlig källa för att skörda blodstamceller som sedan kan lagras i blodbanker. Navelsträngsblod innehåller dock inte något stort antal blodstamceller och de skulle därför behöva expanderas (öka i antal) utanför kroppen för att möjliggöra transplantation av vuxna patienter. Men idag saknas tillfredställande kunskap om hur cellerna regleras vilket har lett till att försök att expandera blodstamceller har rönt liten framgång. Denna avhandling syftar till att få utökad kunskap om blodstamceller och framförallt hur dessa celler är reglerade och vad som kan påverka deras tillväxt.

Det är ett komplext system av olika faktorer och molekylära mekanismer som påverkar cellerna i benmärgen. Det kan vara både cellkomponenter i cellerna själva och faktorer utanför cellerna i den omkringliggande miljön som reglerar dem. Transforming growth factor-β (TGF-β) är en känd extern faktor som påverkar tillväxten. TGF-β i sin tur aktiverar en signalväg inuti cellerna, kallad Smad. I tidigare studier där man i möss hämmat denna signalväg har det visat sig att blodstamcellernas tillväxt påverkas. Det är idag okänt vilken roll Smad-signalering spelar i humana stamceller i en transplantationskontext. Därför har vi studerat Smad-signaleringen i humana celler, för att försöka förstå hur den påverkar cellerna. Genom att, med virus, överföra en viktig komponent i Smad-signaleringen kallad Smad4 har vi studerat effekten av ökad Smad-signalering i humana blodstamceller från navelsträngsblod. Med ökat uttryck av Smad4 har vi lyckats skapa celler som är överkänsliga mot TGF-β. För att studera hur detta påverkar cellernas förmåga att nybilda det hematopoetiska systemet, transplanterades cellerna till möss. Resultaten visar att en ökad känslighet för TGF-β försämrar förmågan hos stamcellerna att nybilda sig själva. Därför har denna studie bidragit till ökad förståelse för hur humana blodstamceller från navelsträngsblod är reglerade (Arbete I).

Vi har även försökt hitta, för det hematopoietiska systemet, nya faktorer som påverkar och reglerar blodstamcellerna genom att studera en musmodell som saknar uttryck av en viss gen, Pigment epithelium derived factor (PEDF). Denna faktor har visat sig vara viktig för andra stamcellstyper t.ex. embryonala och neuralastamceller och nu har vi upptäckt att blodstamceller som saknar denna gen har försämrad förmåga att återbilda blodsystemet. Dessa resultat visar att PEDF är nödvändig även för blodstamcellernas funktion och nu försöker vi komma fram till varför PEDF verkar vara så viktig och framför allt hur det påverkar stamcellerna (Arbete II).

Slutligen har vi också upptäckt att cellytemarkören CD9 uttrycks av stamcellerna. Blodstamceller kan studeras och sorteras ut med hjälp av avancerad teknik som baserar sig på cellytemarkörer. Ju renare stamcellspopulationen kan bli desto lättare kan vi studera funktioner och mekanismer som är unika för just blodstamcellerna. Detta projekt har inte endast bidragit till att en renare population av blodstamceller kan studeras vilket är av oerhörd vikt i jakten på ökad kunskap om dessa celler, utan också påvisat en molekylär heterogenitet inom stemcellspopulationen (Arbete III).

Sammanfattningsvis har vår forskning ökat förståelsen för hur blodstamceller är reglerade vilket har lett till ytterligare insikt i stamcellsbiologin, denna kunskap kan komma att bli viktig för effektivare behandling av blodsjukdomar i framtiden.

• author: Rörby, Emma
• supervisor: Stefan Karlsson; Göran Karlsson
• opponent: PhD, Professor Goodell, Margaret, Baylor College of Medicine, Houston, Texas
• organization: Division of Molecular Medicine and Gene Therapy; StemTherapy: National Initiative on Stem Cells for Regenerative Therapy
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Hematology
• keywords: Hematopoiesis, hematopoietic stem cells, hematopoietic stem cell expansion, cord blood, transforming growth factor beta, Smad signaling, pigment epithelium derived factor, CD9
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2014:102
• pages: 87 pages
• defense location: Segerfalksalen, BMC, Sölvegatan 17, Lund
• defense date: 2014-09-12 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-7619-031-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 4692ed3c-a379-462b-9750-08d763452cc8 (old id 4611805)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:34:49
• date last changed: 2020-09-28 10:53:20