Transcriptome and glycome profiling of human hematopoietic CD133+ and CD34+ cells

New blood cells are continuously provided by self-renewing multipotent hematopoietic stem cells (HSC). The capacity of HSCs to regenerate the hematopoietic system is utilized in the treatment of patients with hematological malignancies. HSCs can be enriched using an antibody-based recognition of CD34 or CD133 glycoproteins on the cell surface. The CD133+ and CD34+ cells may have partly different roles in hematopoiesis. Furthermore, each cell has a glycome typical for that cell type. Knowledge of HSC glycobiology can be used to design therapeutic cells with improved cell proliferation or homing properties. The present studies characterize the global gene expression profile of human cord blood-derived CD133+ and CD34+ cells, and demonstrate the differences between CD133+ and CD34+ cell populations that may have an impact in transplantation when CD133+ and CD34+ selected cells are used. In addition, these studies unravel the glycome profile of primitive hematopoietic cells and reveal the transcriptional regulation of N-glycan biosynthesis in CD133+ and CD34+ cells. The gene expression profile of CD133+ cells represents 690 differentially expressed transcripts between CD133+ cells and CD133- cells. CD34+ cells have 620 transcripts differentially expressed when compared to CD34- cells. The integrated CD133+/CD34+ cell gene expression profiles proffer novel transcripts to specify HSCs. Furthermore, the differences between the gene expression profiles of CD133+ and CD34+ cells indicate differences in the transcriptional regulation of CD133+ and CD34+ cells. CD133+ cells express a lower number of hematopoietic lineage differentiation marker genes than CD34+ cells. The expression profiles suggest a more primitive nature of CD133+ cells. Moreover, CD133+ cells have characteristic glycome that differ from the glycome of CD133- cells. High mannose-type and biantennary complex-type N-glycans are enriched in CD133+ cells. N-glycosylation-related gene expression pattern of CD133+ cells identify the key genes regulating the CD133+ cell-specific glycosylation including the overexpression of MGAT2 and underexpression of MGAT4. The putative role of MAN1C1 in the increase of unprocessed high mannose-type N-glycans in CD133+ cells is also discussed. These studies provide new information on the characteristics of HSCs. Improved understanding of HSC biology can be used to design therapeutic cells with improved cell proliferation and homing properties. As a result, HSC engineering could further their clinical use.

Veren kantasolut ja niistä muodostuvat esisolut vastaavat miljoonien uusien veri- ja immuunisolujen tuotosta päivittäin. Luuytimestä ja istukkaverestä saatavia kantasoluja käytetään pahalaatuisten veritautien hoidossa. Istukkaverisiirre on hyvä vaihtoehto potilaalle, jolle ei ole kudostyypiltään sopivaa luuydinluovuttajaa tarjolla. Siirteen kannalta tärkeiden solujen biologian tunteminen auttaa kehittämään menetelmiä, joilla voidaan parantaa siirrettyjen solujen hakeutumista potilaan luuytimeen ja nopeuttaa veren uudelleen muodostusta. Tällä tavoin voidaan parantaa nykyisiä hoitotuloksia ja löytää veren kantasoluille uusia terapeuttisia käyttösovelluksia. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin veren kantasoluja runsaasti sisältäviä CD133+ ja CD34+ solupopulaatioita. Geeniekspressioprofiloinnin avulla määritettiin, mitkä geneettiset säätelytekijät ovat ominaisia CD133+ ja CD34+ soluille verrattuna muihin verisoluihin, sekä miten CD133+ ja CD34+ solujen geneettinen säätely eroaa toisistaan. Lisäksi työssä selvitettiin solun pintaproteiineihin liittyneitä sokerirakenteita CD133+ solujen ja kypsien verisolujen välillä. Sokerirakenteilla on merkittävä rooli niin solujen keskinäisessä kuin solun ja sen ympäristön välisessä vuorovaikutuksessa. Tutkimuksessa saatiin merkittävää uutta tietoa istukkaveren CD133+ ja CD34+ soluista. Solujen geeniekspressioprofiilit olivat erilaisia ja soluille ominainen geeniekspressio liittyi erilaisten biologisten prosessien ylläpitoon. Tällä saattaa olla merkitystä käytettäessä näitä soluja potilaiden hoidossa. Eroa nähtiin erityisesti solujen tarttumisominaisuuksia, erilaistumista ja solujen jakautumista säätelevien geenien ekspressiossa. Lisäksi CD133+ solujen geeniekspressioprofiili antoi viitteitä siitä, että CD133+ solut ovat CD34+ soluja primitiivisempiä, ja niillä saattaa siten olla parempi kyky muodostaa erilaisia verisoluja. Tässä tutkimuksessa kuvattiin CD133+ soluille tyypillinen sokerirakenneprofiili. CD133+ soluissa nähtiin enemmän muokkaamattomia ja kaksihaaraisia sokerirakenteita, kun taas monihaaraiset sokerirakenteet olivat yleisempiä CD133- soluissa. Sokerirakenne- ja geeniekspressioprofiilin vertailu mahdollisti CD133+ soluille ominaisia sokerirakenteita säätelevien geenien tunnistamisen. CD133+ soluille ominaiset sokerirakenteet saattavat tarjota uusia mahdollisuuksia varhaisten veren solujen tunnistamiseen ja eristämiseen. Lisäksi sokerirakenteiden muokkauksella voidaan pyrkiä parantamaan veren kantasolujen kulkeutumista ja asettumista potilaan luuytimeen tai hakeutumista muuhun kohdekudokseen.