Abstract

Înțelegerea căilor intrinseci care reglează proliferarea celulelor stem hematopoietice (HSC) și răspunsurile de auto-reînnoire la semnalele externe oferă o abordare rațională pentru dezvoltarea unor strategii îmbunătățite pentru expansiunea HSC pentru aplicații terapeutice. Astfel de studii ar putea, de asemenea, să dezvăluie noi ținte pentru tratamentul malignităților mieloide umane, deoarece perturbările proceselor biologice care controlează diviziile normale de auto-reînnoire a HSC sunt considerate a conduce propagarea multor dintre aceste boli. Aici, revizuim descoperirile recente care indică importanța utilizării unor criterii funcționale stricte pentru a defini HSC ca celule cu activitate de repopulare pe termen lung și dovezi că activarea receptorului KIT și a multor efectori din aval servesc ca regulatori majori ai schimbării comportamentului HSC proliferativ și de auto-reînnoire. în timpul dezvoltării.

hematopoietice

  • celula stem hematopoietica
  • autoînnoire
  • factorul oțel

fundal

Celulele stem hematopoietice (HSC) constituie o populație rară, auto-susținută, care apare la începutul dezvoltării embrionului și este responsabilă pentru producerea de celule sanguine mature de-a lungul vieții. Numerele HSC pot fi reglementate extrinsec prin trei mecanisme: (a) expunere modificată la factori care le controlează viabilitatea, (b) expunere modificată la factori care controlează funcționalitatea lor continuă a celulelor stem și (c) expunere modificată la factori care controlează starea lor proliferativă . Expunerea HSC la diferite concentrații de factor de oțel solubil (SF, cunoscut și ca factor de celule stem, factor de creștere a mastocitelor sau ligand KIT) este un mecanism care poate regla diviziile de auto-reînnoire HSC in vitro (1, 2). SF este, de asemenea, un regulator fiziologic important (dar nu exclusiv) al activității HSC in vivo (3-6). Interesant, în timpul dezvoltării, multe proprietăți ale HSC se schimbă, dintre care una este o scădere semnificativă a sensibilității SF (6, 7). Aici, analizăm înțelegerea actuală a eterogenității HSC, modul în care HSC răspund la SF și rolul efectelor aval candidat identificate ca fiind importante pentru expansiunea susținută a HSC in vitro și in vivo.

HSC reprezintă un subset heterogen de celule hematopoietice multipotente

Primele dovezi ale unei origini comune a diferitelor tipuri de celule sanguine au fost furnizate atât de studiile morfologice (8), cât și de cele citogenetice (9) despre ceea ce sunt acum recunoscute ca boli mieloproliferative clonale. Acest concept a fost validat experimental prin descoperirea unui subset rar de celule la șoareci care generează clone multiliniare în splina receptorilor mieloablați și care sunt susținute pe tot parcursul vieții (10). Descoperirea că aceste „unități formatoare de colonii splină” sunt prezente în toate țesuturile hematopoietice și prezintă o anumită activitate de auto-reînnoire atunci când sunt transplantate în serie, a condus la utilizarea lor ca instrument pentru stabilirea multor principii de bază așteptate de la o populație HSC. Mai târziu, analizele de urmărire genetică au arătat în mod oficial capacitatea celulelor hematopoietice unice de la donatori normali de murini și umani de a stabili himerism în sistemul de formare a sângelui a primitorilor transplantați pentru perioade de luni până la ani (11-14). În unele dintre aceste studii din urmă, a fost documentată și capacitatea celulei originale de a produce descendenți cu potențial regenerativ extins multiliniar.

Împreună, aceste observații au stabilit existența HSC la șoareci și oameni. În același timp, au dezvăluit o mare variabilitate a producției celulare și longevitatea clonelor individuale produse la pacienții transplantați în mod similar. Acest comportament eterogen a pus în evidență incertitudinea definirii HSC-urilor prin activitatea regenerativă pe care o afișează deoarece astfel de abordări retrospective nu pot discrimina diferențele de comportament cauzate de variațiile tipurilor sau secvenței de indicii extrinseci primite de celulele originale față de eterogenitatea lor intrinsecă preexistentă și/sau rolul evenimentelor stochastice. Aceste probleme rămân incomplet rezolvate, deși experimentele cu HSC purificate au ajutat recent la clarificarea situației.

Aceste experimente au dezvăluit existența unei populații, cuantificabile în suspensii de puritate necunoscută ca unități de repopulare competitivă pe termen lung (15, 16) care, atunci când sunt transplantate ca celule izolate unice în destinatari iradiați, prezintă în mod constant atât activitate de repopulare a limfomieloidelor pe termen lung, cât și activitate extinsă activitate de reînnoire (7, 17-21). HSC-urile, astfel definite, sunt distincte fenotip de celulele hematopoietice multiliniare cu proprietăți regenerative de viață mai scurtă, inclusiv cele mai multe unități care formează colonii splină (22). Urmărirea descendenței clonale a mai multor HSC singuri prin două până la trei transplanturi seriale a relevat, de asemenea, posesia preferințelor specifice de descendență care pot fi propagate în mai multe diviziuni de auto-reînnoire in vivo. Cu toate acestea, aceste programe de diferențiere se pot schimba rapid, atât in vivo (de exemplu, la 3 săptămâni după naștere la șoareci), cât și în anumite condiții de cultură (7, 21, 23). Aceste descoperiri susțin un model în care mecanisme moleculare distincte, deși posibil suprapuse, reglează preferințele descendenței și menținerea acestora (auto-reînnoire), cu opțiunea că preferințele descendenței pot fi inițiate înainte, mai degrabă decât după, potențialul de auto-reînnoire.

Compartimentul HSC al șoarecilor fetali și adulți tineri poate fi astfel definit în mod funcțional ca un compartiment restrâns de celule multipotente distincte care prezintă în mod universal activitate extinsă de auto-reînnoire atunci când sunt transplantate în destinatari iradiați. Cu toate acestea, aceste celule par a fi preprogramate pentru a afișa modele particulare de diferențiere. Din păcate, combinația de markeri fenotipici utilizată pentru a obține aceste celule la purități foarte mari nu poate fi încă presupusă a măsura, sau chiar a detecta, celule cu aceleași proprietăți în suspensiile celulare necaracterizate. Acest lucru se datorează faptului că mulți dintre markerii în cauză prezintă expresie variabilă pe HSC în funcție de starea de activare a HSC și pot fi, de asemenea, variabile exprimate pe non-HSC (24-26). Identificarea viitoare a markerilor moleculari care se asociază stabil cu HSC auto-reînnoite, independent de starea lor de ciclism sau de programul de diferențiere, ar trebui să ajute la elucidarea mecanismului care permite întreținerea pe termen lung a activității HSC.

Rolul SF în reglarea HSC

SF este un factor de creștere transmembranar codificat de gena Sl. SF se leagă și activează o tirozin kinază a receptorului transmembranar de tip III numită KIT (denumită și CD117; vezi Fig. 1). KIT conține un domeniu de kinază intracelular divizat și este codificat de o unitate transcripțională găsită la locusul W. Atât SF cât și receptorul său pot fi exprimate ca izoforme diferite cu activități diferite și pot fi clivate proteolitic pentru a produce forme solubile cu afinitate de legare similară (27, 28).

Reprezentarea schematică a evenimentelor cheie de semnalizare activate în celulele hematopoietice primitive expuse la SF (prezentate aici ca două molecule legate de membrană legate de un complex receptor dimerizat). Săgeți albastre, activități de promovare a căilor; linii de oprire roșii, activități de inhibare.

Chiar înainte ca produsele codificate de loci W și Sl să fie cunoscute pentru a reprezenta o pereche receptor-ligand, studiile defectelor cauzate de mutații la ambii loci au arătat implicarea lor în reglarea HSC. De exemplu, atât țesuturile hematopoietice fetale, cât și cele adulte de la șoareci care poartă mutații în domeniul kinazei din Kit (de exemplu, vezi Fig. 1) prezintă activitate splenică/HSC redusă a unităților care formează colonii (29). Șoarecii cu genotip W41/W41 prezintă un interes deosebit, deoarece sunt viabile și fertili (spre deosebire de cei cu mutații W mai severe; ref. 30), dar au totuși un număr semnificativ de HSC redus (de la 10 la 20 de ori). Drept urmare, șoarecii adulți W41/W41 adulți iradiați subletal pot fi folosiți ca gazde pentru a detecta HSC transplantate (de tip sălbatic) cu aceeași sensibilitate ca și gazdele de tip sălbatic iradiate letal, având un transplant radioprotector minim (31, 32). În schimb, șoarecii Sl-mutanți, care au deleții în secvența genomică SF (33), au un defect în nișa microambientală care susține activitatea regenerativă a unităților care formează colonii splină/HSC (34).

Ținte intrinseci ale acțiunii SF

Traductoare de semnal și activatori ai transcripției 3 și 5A. Activarea ambelor traductoare de semnal și a activatorilor de transcripție (STAT) 3 și STAT5A reglează pozitiv expansiunea HSC fetală și adultă in vivo, după cum arată studiile cu o versiune dominant-negativă a STAT3 (52) și celule de la șoareci Stat5a -/-) sau celule CD34 + umane cu STAT5 suprimat de ARNi (54, 55). În schimb, transducția celulelor hematopoietice primitive cu forme constitutiv active de STAT3 (56) sau STAT5A (56, 57) a îmbunătățit diviziunile de auto-reînnoire HSC în anumite condiții și, în cazul STAT5A, a condus la un sindrom mieloproliferativ in vivo. Cu toate acestea, nivelurile de STAT3 par a fi nelimitate în HSC, deoarece supraexprimarea formei native nu modifică amplificarea HSC in vivo (52), iar nivelurile de ARNm STAT3 sunt considerate a fi semnificativ mai mari (de 2 ori) în HSC-urile adulte care proliferează decât în colegii lor fetali (6).

LNK. LNK este una dintre multele molecule adaptoare care se leagă de KIT după activarea SF. LNK acționează ca un regulator negativ al diviziilor de auto-reînnoire HSC atât in vivo, așa cum arată o producție crescută de HSC la șoareci Lnk -/- (58, 59), și in vitro, așa cum se arată printr-o frecvență crescută în auto-simetrie. diviziuni de reînnoire executate de Lnk -/- (comparativ cu HSC de tip sălbatic) stimulate cu trombopoietină și SF (60).

BMI1, PHC1 (RAE28), EZH2 și PCGF2 (MEL18). BMI1, PHC1 (RAE28), EZH2 și PCGF2 (MEL18) sunt membri ai familiei policomb de regulatori transcripționali, care au fost implicați în reglarea activității de auto-reînnoire a HSC fie pozitiv [BMI1 (68, 69), RAE28 70 ) și EZH2 (71)] sau negativ (MEL18; ref. 72). MEL18 prezintă un interes deosebit aici, deoarece poate inhiba activitatea ciclinei D2 prin interacțiunea fizică directă în nucleu (73). Interesant este că atât transcrierile MEL18, cât și cele EZH2 sunt exprimate la niveluri mult mai ridicate (de -10 ori) la adultul în repaus comparativ cu HSC fetale proliferante, în timp ce nivelurile de transcriere IMC1 sunt similare în ambele (7).

Factorul de transcripție a furcii A. Factorul de transcriere a furcii A este un membru al familiei de factori de transcripție care au roluri majore în longevitate și rezistență la stres (74). Ștergerea genei Foxo3a permite generarea HSC-urilor, dar inhibă atât capacitatea lor de a intra într-o stare de repaus, cât și supraviețuirea lor. Interesant, acest lucru este asociat cu o inhibare a expresiei p21 și o creștere a expresiei ciclinei D2 (74, 75).

Implicații terapeutice

Transplanturile care conțin HSC de la donatori de toate vârstele stau la baza a mii de terapii de salvare efectuate anual în care sunt utilizate pentru restabilirea formării normale de sânge la pacienții cărora li s-a administrat un tratament mieloablativ pentru eradicarea unei afecțiuni hematopoietice defecte sau maligne. Îmbunătățiri majore în aceste strategii terapeutice și altele care necesită înlocuirea tranzitorie a tipurilor specifice de celule sanguine mature ar putea fi avute în vedere dacă barierele actuale în calea producției unui număr mare de HSC in vitro ar fi depășite. În plus, dovezile acumulate indică faptul că majoritatea tumorilor maligne mieloide umane implică perturbări ale căilor care reglează HSC normale (76). Toate aceste probleme evidențiază necesitatea unei înțelegeri mai precise a anatomiei moleculare intrinseci a HSC-urilor normale și a modului în care aceasta poate fi modificată prin interacțiunile HSC-urilor cu indicii fluctuante din mediul lor, care semnalează nevoile în schimbare pentru producerea de celule sanguine.

Caracterizarea biologică recentă, mai strictă, a HSC-urilor și dezvoltarea metodelor de izolare a acestora în formă pură de ficat fetal și măduva osoasă a șoarecilor tineri a făcut posibilă obținerea unor descrieri mai precise ale diferențelor moleculare dintre acești doi critici. populații de celule. Informațiile astfel dobândite au deschis ușa către o analiză mai incisivă a mecanismelor care reglează activitatea de auto-reînnoire HSC in vivo, unde semnalizarea SF s-a dovedit a fi un indiciu important pentru schimbare, care este interpretat diferit de HSC fetal și adult. Complexitatea acestui proces, modificarea sa remarcabilă la scurt timp după naștere și necesitatea de a investiga întreaga relevanță a acestor descoperiri pentru HSC umane normale și leucemice rămân provocări interesante pentru viitor.

Mulțumiri

Autorii îi mulțumesc lui Allen Eaves, Laura Sly și Clay Smith pentru sugestii utile.

Note de subsol

Acordați sprijin: Institutul Național al Cancerului din Canada cu fonduri de la Fundația Terry Fox (C. Eaves), Institutele Canadiene de Cercetare în Sănătate (D. Kent) și Fundația Michael Smith pentru Cercetare în Sănătate (D. Kent, M. Copley și C. Eaves ).

    • Acceptat la 14 ianuarie 2008.
    • Primit pe 7 ianuarie 2008.