Hematopoiesis: Functional Insights by Cell Fate Conversion

Abstract

Blood cell formation, or hematopoiesis, is maintained by rare hematopoietic stem cells (HSCs) residing in the bone marrow (BM). HSCs may self-renew (the process whereby HSCs replicate to produce new HSCs) to preserve their own numbers, as well as initiate a highly coordinated hierarchical differentiation process that results in the production of mature effector blood cells. Aging is characterized by an overall loss of cellular and organ fitness, which has been suggested to result from alterations in tissue-resident somatic stem cell function. In the blood, aging presents with several functional alterations that can be traced to cell intrinsic alterations occurring in HSCs. HSC aging has been suggested to result from accumulation of DNA damage in genomic and/or mitochondrial DNA (mtDNA). We addressed the latter in article I using mice that rapidly accumulate mtDNA mutations and display several premature aging phenotypes. These “mutator mice” displayed several hematopoietic abnormalities associated with aging, including anemia and defects in lymphopoiesis. However, several hallmarks associated with HSC aging was lacking. In addition, the observed phenotypes appeared to result from alterations in progenitor cells rather than in HSCs. Thus, we concluded that mtDNA mutations are unlikely to be the main drivers of hematopoietic aging. In article II, we investigated the relevance of epigenetic alterations for hematopoietic aging. To this end, we generated induced pluripotent stem (iPS) cells from aged hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs), since cellular reprogramming coincides with an epigenetic reset of the somatic donor cells. We next redifferentiated the resulting iPS cells into blood in vivo and investigated the resulting hematopoiesis for age-related parameters. This revealed that the reformed blood system displayed a balanced lineage potential, with HSC numbers and function comparable to the young setting. Therefore, we concluded that a major component of hematopoietic aging involves reversible epigenetic alterations. While mtDNA mutations appeared to impact little on somatic stem cell function per se (article I), little is known about their impact on iPS cells function. To address this, we generated iPS cells from mutator HSPCs. Although mutator iPS cells were readily formed, these displayed severe differentiation defects (article III). We traced this to a failure of mutator iPS cells to utilize mitochondrial driven oxidative phosphorylation during differentiation. In article IV, we set out to identify individual novel regulators that may impact on early hematopoietic cell fate decisions. This led to the identification of the transcription factor Hepatic Leukemia Factor (Hlf). Enforced Hlf expression could direct early cell fate decisions of multipotent GMLPs by strongly favoring myelopoiesis over lymphopoiesis. This indicates that Hlf is a key determinant of lineage fate and an important component in the regulatory networks of multipotency.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Varje dag produceras miljardtals nya blodceller, vilka exempelvis har som uppgift att transportera runt syre och försvara kroppen mot olika invaderande bakterier och virus. Dessa olika blodkomponenter har sitt ursprung i sällsynta blodbildande stamceller som återfinns i benmärgen. Dessa är så kallade vävnadsspecifika stamceller och har både förmågan att återbilda sig själva (självförnyelse) och att initiera en differentieringskaskad som till slut leder till bildandet av de mogna immunförsvarscellerna. Det sistnämnda involverar många intermediära celltyper (progenitorceller) som succesivt förlorar sin differentieringspotential innan en given progenitorcell ”låses” mot att endast ge upphov till en mogen blodcellstyp. Denna process är därför strikt ordnad i ett hierarkiskt system och möjliggör livslång tillförsel av mogna blodceller. Trots detta kan dessvärre olika sjukdomar med sitt ursprung i blodet uppkomma och en del av dessa är dessutom tydligt associerade med att man blir äldre. Studier i möss har visat att detta kan relateras till förändringar i de blodbildande stamcellerna. Exempelvis blir celler av den medfödda delen av immunförsvaret vanligare på bekostnad av celler av det adaptiva immunförsvaret. Det förstnämnda har som funktion att förmedla snabba, förhållandevis ospecifika svar medan det adaptiva immunförsvaret ger mer specifika svar på invaderande patogener. Denna åldersrelaterade förändring kan bland mycket annat relateras till att blodsjukdomar hos äldre individer oftare har sitt ursprung i just det medfödda immunförsvaret.

Mycket forskning har riktats mot att förstå hur sjukdomsförlopp och normal blodcellsbildning i yngre och äldre personer går till, men trots detta saknas fortfarande många viktiga pusselbitar för att nå en helhetsförståelse av dessa processer. I denna avhandling har jag därför fokuserat på att dra mitt strå till stacken och försökt identifiera olika molekylära mekanismer som är inblandade i dessa processer.

Åldersprocessen har föreslagits bero på skador och mutationer i cellernas DNA som återfinns både i cellkärnan och i cellernas mitokondrier. De sistnämnda är viktiga cellkomponenter, som bland annat har den livsnödvändiga uppgiften att producera energi, och skador i mitokondriernas DNA skulle därför kunna påverka dessa funktioner. I artikel I undersökte vi därför om åldrandet av blodet är kopplat till uppkomsten av mitokondriemutationer och använde oss av en musmodell som succesivt leder till en ökning av mitokondriemutationer, vilket resulterar i flera symptom som förknippas med åldrande. Dessa studier ledde till insikten att en intakt mitokondriefunktion är viktig för en adekvat blodcellsbildning, men att en nedsatt sådan inte på egen hand kan förklara de åldersrelaterade förändringar som uppkommer i blodet.

Utöver permanenta skador i cellernas DNA har åldrande också föreslagits bero på förändringar i cellers genuttrycksmönster och i de faktorer som reglerar detta. I artikel II adresserade vi huruvida sådana förändringar är stabilt förekommande i blodet och om detta skulle kunna förklara åldersprocessen. Vi fann att sådana genuttrycksförändringar sker i åldrande blodstamceller och intressant nog fann vi att dessa är direkt involverade i de funktionella förändringarna som är associerade med åldrandet i blodet. Detta eftersom en återställning av dessa ledde till att blodsystemet från en gammal mus uppträdde som det hos en ung mus. Därför drog vi slutsatsen att åldrande i blodet uppkommer som följd av förändringar i de åldrande blodcellernas genuttrycksmönster och de faktorer som reglerar dessa.

För att adressera frågeställningarna i artikel II använde vi oss av så kallad ”cellreprogrammering”, vilket omvandlar en given kroppslig cell till en pluripotent stamcell; en typ av cell som kan ses som ett slags embryonalt förstadium med förmågan att återbilda alla olika celler i kroppen. Eftersom detta ledde till en återställning av de åldersrelaterade förändringarna i blodet var vi i artikel III intresserade av att utvärdera om denna process även skulle kunna mildra ålderssymptom som uppkommer som en följd av mitokondriemutationer. För att svara på detta omvandlade vi blodceller med mitokondriemutationer till samma typ av pluripotenta stamceller. I dessa studier fann vi att mitokondriemutationer i de resulterande pluripotenta stamcellerna ledde till en oförmåga i dessa cellers möjlighet att bilda kroppens olika mogna celltyper. Vi drog således slutsatsen att mitokondriemutationer kan ha starka negativa effekter på pluripotenta stamcellers funktion och att förekomsten av dessa inte kan ”rejuveneras” med hjälp av cellreprogrammering.

I artikel IV var vi intresserade av att nå en ökad förståelse för enskilda faktorer som är inblandade i att styra blodcellsbildningen mot olika typer av mogna celltyper. Dessa mekanismer är viktiga att nå detaljerad förståelse kring eftersom de förändras vid olika blodsjukdomar men också, som nämnts ovan, vid åldrande. På basis av detta identifierade vi genen Hlf som visade sig kunna styra utvecklingen av omogna progenitorceller mot att nästan exklusivt bilda celler av det medfödda immunförsvaret på bekostnad av adaptiva immunförsvarsceller. Vi drog därför slutsatsen att Hlf är en viktig komponent i det komplexa nätverk som styr nybildningen av mogna celler i immunförsvaret.

• author: Wahlestedt, Martin
• supervisor: David Bryder; Gunilla Westergren-Thorsson
• opponent: Geiger, Hartmut, Department of Dermatology and Allergic Diseases, University of Ulm, Ulm, Germany
• organization: Department of Experimental Medical Science; StemTherapy: National Initiative on Stem Cells for Regenerative Therapy
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cell and Molecular Biology
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2014:28
• pages: 164 pages
• defense location: Segerfalk lecture hall, BMC A10, Sölvegatan 17, Lund.
• defense date: 2014-03-14 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87651-52-6
• 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: Stem Cell Aging (013212073)
• id: ec842b22-3968-411b-b705-9734e48d52cc (old id 4319341)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:09:27
• date last changed: 2020-09-28 11:49:43