Regulation hämatopeotischer Stammzellen durch embryonale Stromazellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das übergeordnete Ziel in diesem Projekt war es, die Mechanismen der Regulation von repopulierenden blutbildenden (hämatopoetischen) Stammzellen (HSZ) durch löslichen Faktoren der Mikroumgebung zu entschlüsseln. In Vorarbeiten hatten wir Stromazelllinien entwickelt, die diese HSZ in Kultur ohne direktem Kontakt mit dem Stroma erhalten können. Genexpressionsanalyse zeigte die Expression verschiedener löslicher Kandidatenmoleküle. Wir haben vier davon, Kathepsin K (Ctsk), Pleiotrophin (Ptn), Sezerniertes Frizzled-ähnliches protein 1 (Sfrp1) und 2 (Sfrp2), näher untersucht in Kulturen und genetischen Modellen. Runterregulation dieser Moleküle in Stromazellen in vitro führte in allen Fällen zu einem Verlust von HSZ in Kultur. Transplantation von normalen Wildtyp (WT) Zellen in Empfängertiere ist einem Modell der Blutregeneration. Wir beobachteten, dass wenn Ctsk-/-, Ptn-/-, Sfrp1-/-, oder Sfrp2-/- Empfängertiere transplantiert wurden, in allen Fällen einer geringeren Blutregeneration stattfindet, und dass diese zu einer schlechteren Qualität der HSZ zurückzuführen ist. Die verschlechterte HSZ Qualität ist vor Allem gut zu beobachten, wenn WT Spender aus regenerierten mutanten Mäusen weitertransplantiert werden, wobei die Regeneration des gesamten Blutyststems verringert ist (Ctsk-/-, Sfrp1-/-, oder Sfrp2-/- Empfänger) oder die Regeration des lymphoiden systems bevorzugt verringert ist (Ptn-/- Empfängertiere). Diese Befunde zeigen, daß alle vier der von uns identifizierten Moleküle an der Regulation der HSZ Qualität beteiligt sind. In mechanistischen Studien konnten wir feststellen, daß die regenierte Lin-Sca-1+ Kit+ (LSK) Zellen vom Spender in allen Fällen ein erhöhter Satz vom β-catenin exprimierten und auch von dessen transkriptionelle Zielgene Cyclin D1 und Myc. Dieser Befund weist auf einer unnormalen Aktivierung des kanonischen Wnt Signaling hin. Weitere Analyse der regenerierten Spender LSK zeigte, daß nicht nur kanonisches Signaling aktiviert war, sondern auch nicht-kanonische Signale. Spender LSK zellen aus Sfrp2-/- Empfänger zeigten eine klare Aktivierung des Nfatc1. Interessanterweise, der andere Kalzium-abhängige Signalweg über Camk2 schien eher inhibiert zu sein. Unsere Studien geben langsam ein Bild, wie Signale aus der Nische von HSZ übersetzt werden und deren Verhalten beeinflussen während regenerativem hämopoetischem Streß. Obwohl unsere Studien den Wnt Signalweg als wichtigen Spieler in der Regulation von HSZ Qualität indentifiziert hat, weisen unsere Daten auch auf den Beitrag und der Existenz von Schalter in nicht-kanonisches Signaling. Andere Studien in unserem Labor zeigen ausserdem Kreuzregulationen über weitere Signalwege, wie z.B den Tgf/Smad2/3 Signalweg. Unsere Studien haben die Erkentnisse über Nische-abhängige HSZ Regulation verbessert. Die Ergebnissen der Studien können genutzt werden um HSZ Qualität in Kultur, aber auch in vivo beim hämopoetischen Streß (Zytostatika, Bestrahlung, Infektionen, Blutungen) zu gewährleisten. Es wird auch immer klarer, daß leukämischen Zellen die Nische so beeinflussen, daß die beteiligten Zellen einer Art Entzündungsphänotyp ähneln. Unsere Ergebnisse könnten daher dazu beitragen die Normalzustand der Nische wiederherzustellen mit der Nutzung geeigneter Zytokine oder kleine Moleküle die deren Aktivität oder die deren Zielgene nachahmt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Long-term maintenance of hematopoietic stem cells does not require contact with embryoderived stromal cells in co-cultures. Stem Cells, 2005;23:842-51
Oostendorp RAJ, Robin C, Steinhoff C, Marz S, Bräuer R, Nuber UA, Dzierzak EA, Peschel C
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Efficient hematopoietic differentiation of human embryonic stem cells on stromal cells derived from hematopoietic niches. Cell Stem Cell. 2008;3:85-98
Ledran MH, Krassowska A, Armstrong L, Dimmick I, Renström J, Lang R, Yung S, Santibanez-Coref M, Dzierzak E, Stojkovic M, Oostendorp RAJ, Forrester L, Lako M
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Secreted frizzledrelated protein 1 extrinsically regulates cycling activity and maintenance of hematopoietic stem cells. Cell Stem Cell. 2009;5:157-167
Renström J, Istvanffy R, Gauthier K, Shimino A, Mages J, Jardon-Alvarez A, Kröger M, Schiemann M, Busch DH, Esposito I, Lang R, Peschel C, Oostendorp RAJ
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How the niche regulates hematopoietic stem cells. Chem Biol Interact. 2010;184:7-15
Renström J, Kröger M, Peschel C, Oostendorp RAJ
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Maintenance of HSC by Wnt5a secreting AGM-derived stromal cell line. Exp Hematol. 2011;39:114-123.e1-5
Buckley SM, Ulloa-Montoya F, Abts D, Oostendorp RAJ, Dzierzak E. Ekker S, Verfaillie CM
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Stromal niche cells protect early leukemic FLT3-ITD+ progenitor cells against first generation FLT3 tyrosine kinase inhibitors. Cancer Res. 2011;71:4696-706
Parmar A, Marz S, Rushton S, Holzwarth C, Lind K, Kayser S, Döhner K, Peschel C, Oostendorp RAJ, Götze KS
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Stromal pleiotrophin regulates repopulation behavior of hematopoietic stem cells. Blood. 2011;118:2712-22
Istvanffy R, Kröger M, Eckl C, Gitzelmann S, Vilne B, Bock F, Graf S, Schiemann M, Keller, UB, Peschel C, Oostendorp RAJ
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Role of soluble factors from the microenvironment in the regulation of hematopoietic stem cells. Front Biosci, 2012;17:876-91
Kaur-Bollinger P, Götze, KS, Oostendorp RAJ
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Generation of murine adherent cell lines. In. Basic Cell Culture Protocols, 4th Edition (Ed. Helgason CD, Miller C). Methods Mol Biol. 2013;946:301-14
Istvanffy R, Oostendorp RAJ
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Regulation of hematopoiesis by activators and inhibitors of Wnt signaling from the niche. Ann N Y Acad Sci. 2014;1310:32-43
Schreck C, Bock F, Grziwok S, Oostendorp RAJ, Istvanffy R
