Regulation of hematopoiesis by the Smad signaling pathway

Abstract

Hematopoietic stem cells (HSCs) reside in the bone marrow (BM) of adult individuals and are ultimately responsible for the continuous production of blood cells throughout life. The regulation of HSCs in vivo is tightly regulated by both intrinsic and extrinsic factors. The Smad-signaling pathway is an evolutionary conserved signaling circuitry with critical functions during embryogenesis and throughout adult life, regulating diverse biological processes. The transforming growth factor-? (TGF-?) superfamily of ligands transduce their signals intracellularly through the Smad pathway. A large number of studies, the majority of which have been carried out in vitro, have cataloged TGF-? as a potent negative regulator of HSC proliferation. However, due to embryonic lethality of knockout mice, in vivo investigations of the role of TGF-? and the downstream Smad pathway in the context of adult hematopoiesis have been hampered. To address this, we made use of the Cre/loxP system for inducible gene deletion of two different components of the TGF-? signaling pathway, the type I TGF-? receptor and Smad4 respectively. In addition, retroviral mediated gene transfer to HSCs was used as a tool to block the entire Smad-signaling pathway, by overexpression of the inhibitory Smad7. Induced disruption of the type I TGF-? receptor in adult mice resulted in an inflammatory disorder with a lethal outcome 8-10 weeks post induction. However, all hematopoietic parameters were normal under steady state conditions as well as the regenerative- and self-renewal capacity of mutant HSCs as assessed by transplantation. Smad4 null HSCs exhibited impaired repopulative capacity in a competitive repopulation assay, a behavior that was exacerbated upon secondary transplantation. Overexpression of Smad7 in HSCs resulted in increased regenerative capacity upon secondary transplantation, with a normal lineage distribution. Taken together, our data suggests that the Smad pathway is a critical regulator of HSC self-renewal in vivo.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Varje dag bildas ca 10^12 nya blodceller i människokroppen. Denna enorma produktion av celler utgår från benmärgen och pågår under hela vårt liv. Ytterst sett är denna process beroende av en till antalet liten cellpopulation av sk blodstamceller eller hematopoietiska stamceller. Den enorma potential som vilar i detta system illustreras av det faktum att en enda blodstamcell är tillräckligt för att generera ett helt blodsystem med alla dess mogna cellkomponenter och distinkta funktioner. Blodstamcellerna definieras främst med avseende på funktionella kriterier, varav en är multipotentiell differentieringsförmåga, dvs förmåga att bilda alla typer av mogna blodceller från röda och vita blodkroppar till blodplättar. Dessutom karaktäriseras blodstamcellerna av sin förmåga att självförnya sig, dvs efter celldelning bibehålls stamcellens identitet av minst en dottercell. Blodbildning är en intrikat och dynamisk process vilken regleras av ett tätt nätverk av molekylära mekanismer. Dessa består dels av molekyler och proteiner i cellerna själva men också av tillväxtfaktorer, andra cellkomponenter och en rad andra molekyler i den omgivande miljön i benmärgen. Av externa faktorer är transforming growth factor-? (TGF-?) en central familj av tillväxtfaktorer, vilken består av närmare 40 olika ligander. TGF-? och besläktade faktorer reglerar ett vitt spektrum av biologiska processer och figurerar avsevärt under embryogenesen men även i den vuxna organismen. Intracellulärt signalerar TGF-? genom ett maskineri av signalproteiner, vilka tillhör Smad familjen av proteiner. Denna avhandling har kretsat kring hur TGF-? och Smad signalering bidrar till regleringen av blodbildning och blodstamceller med musen som modellorganism.



Med hjälp av två inducerbara knockout modeller, riktade mot typ I TGF-? receptorn (ALK5) respektive Smad4, har vi kunnat studera TGF-'s och Smad signaleringens roll i hematopoiesen i den vuxna kontexten. Dessutom har vi använt oss av överuttryck av en inhibitorisk Smad, Smad7, som ett verktyg för att blockera hela signaleringskaskaden.



En rad studier, de flesta utförda in vitro, har tidigare visat att TGF-? har en starkt inhibitorisk effekt på primitiva hematopoietiska celler och stamceller, varför vi förväntade oss att se en effekt på blodbildningen i möss som inte besitter intakt signalering från TGF-? receptorn. När TGF-? signalen blockerades i hematopoietiska celler, genom att exon 3 i ALK5 genen deleterades, utvecklade mössen en inflammatorisk sjukdom vilken var letal vid 8-10 veckor efter induktionen. Trots detta var alla hematopoietiska parametrar normala, inklusive blodstamcellernas regenerativa och självförnyande förmåga efter transplantation. Dessa studier visade att TGF-? är umbärlig för reglering av hematopoies in vivo och understryker vikten av studier riktade mot att undersöka en given gen i dess korrekta fysiologiska miljö.



Genom inducerad deletion av Smad4 blockeras hela signaleringskaskaden nedströms om inte bara TGF-? utan alla medlemmar i ligand-familjen. I vuxna möss ledde detta till en letal fenotyp, vilken karaktäriserades av patologiska förändringar i kolon vilket i sin tur ledde till blödningar från tarm och som följd av det anemi. När benmärg från inducerade Smad4 möss transplanterades till letalt bestrålade möss i konkurrens med celler av normal genotyp, uppvisade de mutanta cellerna en sämre benägenhet för att regenerera blodsystemet, detta indikerar en defekt självförnyande förmåga.



Smad7 är en inhibitorisk Smad, vilket innebär att den blockerar Smad signalering från alla ligander i TGF-? familjen. Genom att överuttrycka Smad7 i blodstamceller, med hjälp av retroviral genöverföring, kunde vi effektivt blockera Smad signalerna. När dessa celler transplanterades till letalt bestrålade möss hade de en normal differentieringsförmåga men uppvisade en ökad regenerativ förmåga efter sekundär transplantation, vilket tyder på en ökad förmåga till självförnyelse. Sammanfattningsvis kan vi konstatera att Smad signalering är en viktig regleringsmekanism för blodstamcellerna i deras naturliga fysiologiska miljö och att blockering av Smad signalering påverkar deras självförnyande förmåga.

• author: Blank Savukinas, Ulrika
• supervisor: Karlsson Stefan
• opponent: Professor Verfaillie, Catherine, Stem cell institute, University of Minnesota, USA
• organization: Division of Molecular Medicine and Gene Therapy
• publishing date: 2006
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Hematology
• keywords: Medicine (human and vertebrates), retroviral mediated gene expression, conditional knockout, hematopoietic stem cell, hematopoiesis, Transforming growth factor-beta, Smad signaling, Medicin (människa och djur)
• pages: 178 pages
• defense location: Segerfalksalen, BMC, Wallenberg neurocentrum, Sölvegatan 17.
• defense date: 2006-06-07 09:00:00
• ISBN: 91-85481-85-8
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Jonas Larsson, Ulrika Blank, Hildur Helgadottir, Jon Mar Björnsson, Mats Ehinger, Marie-José Goumans, Xiaolong Fan, Per Leveén and Stefan Karlsson. 2003. TGF-beta signaling-deficient hematopoietic stem cells have normal self-renewal and regenerative ability in vivo despite increased proliferative capacity in vitro. Blood, vol 102 pp 3129-3135.; Jonas Larsson, Ulrika Blank, Jenny Klintman, Mattias Magnusson and Stefan Karlsson. 2005. Quiescence of hematopoietic stem cells and maintenance of the stem cell pool is not dependent on TGF-beta signaling in vivo. Experimental Hematology, vol 33 pp 592-596.; Ulrika Blank, Göran Karlsson, Jennifer L Moody, Taiju Utsugisawa, Mattias Magnusson, Sofie Singbrant, Jonas Larsson and Stefan Karlsson. . Smad7 promotes self-renewal of hematopoietic stem cells in vivo. (submitted); Göran Karlsson, Ulrika Blank, Jennifer L Moody, Mats Ehinger, Sofie Singbrant, Chu-Xia Deng and Stefan Karlsson. . A critical role for Smad4 in the self-renewal of hematopoietic stem cells. (submitted)
• id: a220414b-fd5b-4a00-b6a1-80dbaf56cf33 (old id 546928)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:20:39
• date last changed: 2018-11-21 20:40:39