Rôle des gènes HOX du paralogue 4 dans l'autorenouvellement des cellules souches et progéniteurs hématopoïétiques

La transplantation de cellules souches hématopoïétiques (CSH) est un traitement couramment utilisé pour traiter plusieurs types de maladies hématologiques telles que les leucémies. Par contre, une limite importante de ce type de traitement est la quantité restreinte de CSH disponibles pour la transplantation. Il importe donc de trouver des moyens pour expandre efficacement ces cellules ex vivo tout en préservant leurs propriétés. Le gène HOXB4 est présentement un candidat très prometteur pour atteindre cet objectif. Il a en effet été montré que HOXB4 est capable d’expandre les CSH in vivo et in vitro sans mener au développement de leucémie. Le gène HOXC4, qui appartient au même paralogue est aussi en mesure d’expandre les cellules hématopoïétiques primitives suggérant un rôle commun pour les gènes HOX du paralogue 4 dans l’autorenouvellement des CSH. Le gène HOXA4 est dix fois plus exprimé que le gène HOXB4 dans des CSH du foie fœtal au moment de leur principale expansion. De plus, les CSH mutantes pour Hoxa4, contrairement aux CSH mutantes pour Hoxb4, sont incapables de reconstituer un receveur irradié lorsqu’elles sont transplantées en condition de compétition. HOXA4 pourrait donc jouer un rôle plus important que les autres gènes du paralogue 4 pour l’expansion des CSH au niveau physiologique. Nous avons donc posé l’hypothèse que HOXA4 est capable d’expandre des CSH de façon plus importante que HOXB4. Les résultats obtenues dans le cadre de ce projet de recherche ont montré que la surexpression de HOXA4 était capable d’expandre les CSH et les progéniteurs hématopoïétiques primitifs dans le même ordre que ce qui est connu pour HOXB4. Des cultures et des essais de transplantation en situation de compétition ont confirmé la capacité égale des CSH surexprimant HOXA4 et HOXB4 de proliférer et de reconstituer les receveurs irradiés à long terme. Par contre, nous avons observé une meilleure reconstitution périphérique à court terme par les CSH HOXA4+ par rapport aux CSH HOXB4+, associée à une meilleure reconstitution lymphoïde. Nous avons aussi comparé les niveaux d’expression de gènes cibles potentiels dans des CSH surexprimant HOXA4 ou HOXB4 et observer que plusieurs gènes importants pour la fonction des CSH était régulé positivement suite à leur surexpression, notamment plusieurs gènes impliqués dans les voies de signalisation Notch et Wnt, tels que des récepteurs et ligands. Les gènes HOX du paralogue 4 pourraient donc réguler la communication entre les CSH et leur microenvironnement via ces voies de signalisation majeures et ainsi réguler leur autorenouvellement. La modulation de différents gènes codant pour des facteurs de transcription et des molécules impliquées dans la pluripotence suggère également que HOXA4 et HOXB4 utilisent des mécanismes intrinsèques et extrinsèques pour réguler leur potentiel d’autorenouvellement. Ces connaissances pourront ainsi être utilisées pour optimiser les protocoles d’expansion ex vivo des CSH dans un but thérapeutique.

Immunorégulation de la réaction du greffon contre l'hôte (GvHD) dans un modèle murin xénogénique : le rôle des immunoglobulines intraveineuses (IVIG)

La réaction du greffon contre l’hôte (GvHD) est une complication majeure de la transplantation de cellules souches hématopoïétiques (HSCT). Les traitements de prophylaxie contre le développement de la GvHD reposent essentiellement sur l’utilisation d’agents immunosuppresseurs, ce qui contribue à ralentir la reconstitution immunitaire post-greffe et à prolonger la durée de l’état immunosupprimé des patients. Le développement de prophylaxie pour la GvHD à base d’agents immunomodulateurs est ainsi privilégié. À l’aide d’un modèle murin xénogénique chez les souris NOD/scid-IL2rγ-/- (NSG), on a étudié le potentiel immunomodulateur des immunoglobulines intraveineuses (IVIG) dans la prévention de la GvHD, ainsi que leurs effets sur la qualité et la cinétique de la reconstitution immunitaire. On a déterminé qu’un traitement hebdomadaire d’IVIG peut effectivement réduire l’incidence de la GvHD, ainsi que la mortalité qui y est reliée, avec une efficacité similaire à celle obtenue avec la cyclosporine A, un immunosuppresseur couramment utilisé dans la prophylaxie de la GvHD. Par ailleurs, on a déterminé que le mécanisme d’action des IVIG dans la réduction de la GvHD est distinct de celui des immunosuppresseurs. De plus, on a démontré que les IVIG induisent l’expansion et l’activation des cellules NK présentes au sein du greffon, lesquelles sont nécessaires pour l’obtention de l’effet protecteur des IVIG contre le développement de la GvHD, et sont dépendantes de la présence de lymphocytes T activés. Grâce à un modèle murin humanisé, on a également démontré que le traitement hebdomadaire d’IVIG induit un délai transitoire de la reconstitution humorale, ce qui n’affecte toutefois pas la qualité globale de la reconstitution immunitaire. Ces résultats mettent cependant en doute la pertinence de l’utilisation des IVIG dans les protocoles cliniques de prophylaxie de la GvHD, puisque les immunosuppresseurs seront toujours utilisés, et qu’on a démontré que les IVIG ont besoin de lymphocytes T activés afin de prévenir efficacement le développement de la GvHD.

Effet du stress prolifératif sur la fonction des cellules souches hématopoïétiques : rôles des gènes Scl, E2A et Heb

Le système hématopoïétique est un tissu en constant renouvellement et les cellules souches hématopoïétiques (CSHs) sont indispensables pour soutenir la production des cellules matures du sang. Deux fonctions définissent les CSHs; la propriété d’auto-renouvellement, soit la capacité de préserver l’identité cellulaire suivant une division, et la multipotence, le potentiel de différenciation permettant de générer toutes les lignées hématopoïétiques. Chez l’adulte, la majorité des CSHs sont quiescentes et l’altération de cet état corrèle avec une diminution du potentiel de reconstitution des CSHs, suggérant que la quiescence protège les fonctions des CSHs. La quiescence est un état réversible et dynamique et les réseaux génétiques le contrôlant restent peu connus. Un nombre croissant d’évidences suggère que si à l’état d’homéostasie il y a une certaine redondance entre les gènes impliqués dans ces réseaux de contrôle, leurs rôles spécifiques sont révélés en situation de stress. La famille des bHLHs (basic helix-loop-helix) inclue différentes classes des protéines dont ceux qui sont tissu-spécifiques comme SCL, et les protéines E, comme E12/E47 et HEB. Certains bHLHs sont proposés êtres important pour la fonction des cellules souches, mais cela ne fait pas l’unanimité, car selon le contexte cellulaire, il y a redondance entre ces facteurs. La question reste donc entière, y a-t-il un rôle redondant entre les bHLHs d’une même classe pour la fonction à long-terme des CSHs? Les travaux présentés dans cette thèse visaient dans un premier temps à explorer le lien encore mal compris entre la quiescence et la fonction des CSHs en mesurant leurs facultés suite à un stress prolifératif intense et dans un deuxième temps, investiguer l’importance et la spécificité de trois gènes pour la fonction des CSHs adultes, soit Scl/Tal1, E2a/Tcf3 et Heb/Tcf12. Pour répondre à ces questions, une approche cellulaire (stress prolifératif) a été combinée avec une approche génétique (invalidation génique). Plus précisément, la résistance des CSHs au stress prolifératif a été étudiée en utilisant deux tests fonctionnels quantitatifs optimisés, soit un traitement basé sur le 5-fluorouracil, une drogue de chimiothérapie, et la transplantation sérielle en nombre limite. Dans la mesure où la fonction d’un réseau génique ne peut être révélée que par une perturbation intrinsèque, trois modèles de souris, i.e. Scl+/-, E2a+/- et Heb+/- ont été utilisés. Ceci a permis de révéler que l’adaptation des CSHs au stress prolifératif et le retour à l’équilibre est strictement contrôlé par les niveaux de Scl, lesquels règlent le métabolisme cellulaire des CSHs en maintenant l’expression de gènes ribosomaux à un niveau basal. D’autre part, bien que les composantes du réseau puissent paraître redondants à l’équilibre, mes travaux montrent qu’en situation de stress prolifératif, les niveaux de Heb restreignent la prolifération excessive des CSHs en induisant la sénescence et que cette fonction ne peut pas être compensée par E2a. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse montrent que les CSHs peuvent tolérer un stress prolifératif intense ainsi que des dommages à l’ADN non-réparés, tout en maintenant leur capacité de reconstituer l’hématopoïèse à long-terme. Cela implique cependant que leur métabolisme revienne au niveau de base, soit celui trouvé à l’état d’homéostasie. Par contre, avec l’augmentation du nombre de division cellulaire les CSHs atteignent éventuellement une limite d’expansion et entrent en sénescence.

Les immunoglobulines intraveineuses et la réponse spécifique des cellules T dans la prévention de la maladie lymphoproliférative post-greffe associée au virus Epstein-Barr chez les enfants greffés de cellules souches hématopoïétiques.

La maladie lymphoproliférative post-greffe (MLP) est une complication grave chez les greffés (d’organes solides ou de cellules souches hématopoïétiques) immunosupprimés suite à l'infection par le virus Epstein-Barr (VEB). En l’absence d'une réponse efficace des lymphocytes T cytotoxiques, les cellules B infectées par le VEB peuvent proliférer et donner lieu à la MLP. Dans le cas des receveurs de greffe immunosupprimés, les cellules B infectées par le VEB de façon lytique, produisent activement de nouveaux virions. Ces derniers infectent les cellules B voisines, entraînant leur expansion polyclonale. La gp350, une protéine du cycle lytique située dans l'enveloppe virale, joue un rôle important dans l'infection par le VEB. Elle interagit avec le récepteur CD21 exprimée à la surface des cellules B pour permettre l’entrée du virus. Ainsi, des anticorps neutralisants anti-gp350 sont considérés être des acteurs clés dans le blocage de l'infection, empêchant ainsi le développement de la MLP. L'effet protecteur des immunoglobulines intraveineuses (IgIV) à titre prophylactique contre le VEB et la MLP chez les greffés de cellules souches hématopoïétiques n’est pas clairement démontré. Par conséquent, le premier objectif de cette thèse a proposé d'évaluer l'efficacité des IgIV contre l'infection par le VEB et la MLP chez les receveurs de cellules souches hématopoïétiques. Le deuxième objectif a proposé de déterminer, en utilisant la technique ELISpot, si la présence d'une réponse forte des lymphocytes T contre l'antigène précoce BMLF1 du cycle lytique du VEB pourrait constituer un marqueur de protection contre la MLP chez les greffés de cellules souches hématopoïétiques. Les résultats ont montré d'une part que, si les IgIV peuvent neutraliser efficacement l'infection par le VEB in vitro, ils ne protègent pas efficacement les patients greffés contre l'infection par le VEB in vivo. D'autre part, l'étude de la réponse des lymphocytes T contre des antigènes du VEB a démontré que les cellules T de certains patients sont capables de reconnaître l'antigène lytique BMLF1. Cette réponse spécifique des lymphocytes T peut s’avérer un bon marqueur de la protection contre la MLP. Les résultats de cette thèse démontrent que l’infection lytique au VEB joue un rôle fondamental dans le développement de la MLP. Les données indiquent également que la présence d'une réponse spécifique des lymphocytes T contre un antigène du cycle lytique du VEB peut constituer un bon marqueur de la protection contre la MLP. Cependant, le traitement des patients recevant des greffes de cellules souches hématopoïétiques avec les IgIV n’apparaît pas efficace dans la prévention de la MLP.

Mécanismes d'action des cellules stromales mésenchymateuses dans le traitement de la réaction du greffon contre l'hôte

La maladie du greffon contre l’hôte (GvHD) est un effet secondaire sérieux de la transplantation de cellules souches hématopoïétiques (HSCT). Cette maladie entraine une haute mortalité et ses symptômes sont dévastateurs. Les traitements actuels de la GvHD comportent plusieurs produits, tels les corticostéroïdes, mais ces derniers sont immunosuppresseurs et leurs effets secondaires sont aussi très dommageables pour les patients et leur guérison. Les cellules stromales mésenchymateuses (MSC) représentent une alternative ou une addition potentielle de traitement pour la GvHD et ces cellules ne semblent pas posséder les effets secondaires des traitements classiques. Un nombre important d’études cliniques faisant l’objet des MSC ont été enregistrées. Malgré cet engouement, le mécanisme de leur immunomodulation reste encore à élucider. Notre objectif est donc de mieux définir ce mécanisme. Nous avons utilisé un modèle simplifié pour simuler la GvHD in vitro. Ce modèle se base sur la stimulation de lymphocytes CD4+ par des cellules dendritiques allogéniques. La mesure de la prolifération de ces cellules stimulées sert d’indicateur de leur réactivité. Selon les résultats obtenus par la technologie CRISPR de génie génétique, les MSC exerceraient leur immunosuppression sur les cellules T CD4+ principalement par la sécrétion de l’enzyme IDO1. Les MSC seraient également capables d’induire certaines cellules CD4+ en cellules régulatrices, un processus indépendant de la sécrétion d’IDO1. Toutefois, ces cellules ne semblent pas correspondre aux cellules Treg conventionnelles.

Injection of adult mouse mesenchymal stem cells into the developing chick inner ear

This series of experiments attempted to characterize the abilities of stem cells derived from bone marrow and adipose tissue to integrate into the sensory epithelium of the inner ear and to differentiate into hair cells or neural cell types.

Enhancing and diminishing gene function in human embryonic stem cells

It is widely recognized that gain- and loss-of-function approaches are essential for understanding the functions of specific genes, and such approaches would be particularly valuable in studies involving human embryonic stem (hES) cells. We describe a simple and efficient approach using lipofection to transfect hES cells, which enabled us to generate hES cell lines expressing naturally fluorescent green or red proteins without affecting cell pluripotency. We used these cell lines to establish a means of diminishing gene function using small interfering (si)RNAs, which were effective at knocking down gene expression in hES cells. We then demonstrated that stable expression of siRNA could knock down the expression of endogenous genes. Application of these gain- and loss-of-function approaches should have widespread use, not only in revealing the developmental roles of specific human genes, but also for their utility in modulating differentiation.

A novel alternative to cryopreservation for the short-term storage of stem cells for use in cell therapy using alginate encapsulation

Efficient transport of stem/progenitor cells without affecting their survival and function is a key factor in any practical cell-based therapy. However, the current approach using liquid nitrogen for the transfer of stem cells requires a short delivery time window is technically challenging and financially expensive. The present study aims to use semipermeable alginate hydrogels (crosslinked by strontium) to encapsulate, store, and release stem cells, to replace the conventional cryopreservation method for the transport of therapeutic cells within world-wide distribution time frame. Human mesenchymal stem cell (hMSC) and mouse embryonic stem cells (mESCs) were successfully stored inside alginate hydrogels for 5 days under ambient conditions in an air-tight environment (sealed cryovial). Cell viability, of the cells extracted from alginate gel, gave 74% (mESC) and 80% (hMSC) survival rates, which compared favorably to cryopreservation. More importantly, the subsequent proliferation rate and detection of common stem cell markers (both in mRNA and protein level) from hMSCs and mESCs retrieved from alginate hydrogels were also comparable to (if not better than) results gained following cryopreservation. In conclusion, this new and simple application of alginate hydrogel encapsulation may offer a cheap and robust alternative to cryopreservation for the transport and storage of stem cells for both clinical and research purposes.

An epigenetic signature of developmental potential in neural stem cells and early neurons.

A cardinal property of neural stem cells (NSCs) is their ability to adopt multiple fates upon differentiation. The epigenome is widely seen as a read-out of cellular potential and a manifestation of this can be seen in embryonic stem cells (ESCs), where promoters of many lineage-specific regulators are marked by a bivalent epigenetic signature comprising trimethylation of both lysine 4 and lysine 27 of histone H3 (H3K4me3 and H3K27me3, respectively). Bivalency has subsequently emerged as a powerful epigenetic indicator of stem cell potential. Here, we have interrogated the epigenome during differentiation of ESC-derived NSCs to immature GABAergic interneurons. We show that developmental transitions are accompanied by loss of bivalency at many promoters in line with their increasing developmental restriction from pluripotent ESC through multipotent NSC to committed GABAergic interneuron. At the NSC stage, the promoters of genes encoding many transcriptional regulators required for differentiation of multiple neuronal subtypes and neural crest appear to be bivalent, consistent with the broad developmental potential of NSCs. Upon differentiation to GABAergic neurons, all non-GABAergic promoters resolve to H3K27me3 monovalency, whereas GABAergic promoters resolve to H3K4me3 monovalency or retain bivalency. Importantly, many of these epigenetic changes occur before any corresponding changes in gene expression. Intriguingly, another group of gene promoters gain bivalency as NSCs differentiate toward neurons, the majority of which are associated with functions connected with maturation and establishment and maintenance of connectivity. These data show that bivalency provides a dynamic epigenetic signature of developmental potential in both NSCs and in early neurons. Stem Cells 2013;31:1868-1880.

Neural stem cells and cell replacement therapy: making the right cells

The past few years have seen major advances in the field of NSC (neural stem cell) research with increasing emphasis towards its application in cell-replacement therapy for neurological disorders. However, the clinical application of NSCs will remain largely unfeasible until a comprehensive understanding of the cellular and molecular mechanisms of NSC fate specification is achieved. With this understanding will come an increased possibility to exploit the potential of stem cells in order to manufacture transplantable NSCs able to provide a safe and effective therapy for previously untreatable neurological disorders. Since the pathology of each of these disorders is determined by the loss or damage of a specific neural cell population, it may be necessary to generate a range of NSCs able to replace specific neurons or glia rather than generating a generic NSC population. Currently, a diverse range of strategies is being investigated with this goal in mind. In this review, we focus on the relationship between NSC specification and differentiation and discuss how this information may be used to direct NSCs towards a particular fate.

The secretome of alginate-encapsulated limbal epithelial stem cells modulates corneal epithelial cell proliferation

Limbal epithelial stem cells may ameliorate limbal stem cell deficiency through secretion of therapeutic proteins, delivered to the cornea in a controlled manner using hydrogels. In the present study the secretome of alginate-encapsulated limbal epithelial stem cells is investigated. Conditioned medium was generated from limbal epithelial stem cells encapsulated in 1.2% (w/v) calcium alginate gels. Conditioned medium proteins separated by 1-D gel electrophoresis were visualized by silver staining. Proteins of interest including secreted protein acidic and rich in cysteine, profilin-1, and galectin-1 were identified by immunoblotting. The effect of conditioned medium (from alginate-encapsulated limbal epithelial stem cells) on corneal epithelial cell proliferation was quantified and shown to significantly inhibit (Pcells, this protein may be responsible, at least in part, for inhibition of corneal epithelial cell proliferation. We conclude that limbal epithelial stem cells encapsulated in alginate gels may regulate corneal epithelialisation through secretion of inhibitory proteins.

Potential role of NF-kappaB in adult neural stem cells: the underrated steersman?

Neural stem cells are precursors of neurons and glial cells. During brain development, these cells proliferate, migrate and differentiate into specific lineages. Recently neural stem cells within the adult central nervous system were identified. Informations are now emerging about regulation of stem cell proliferation, migration and differentiation by numerous soluble factors such as chemokines and cytokines. However, the signal transduction mechanisms downstream of these factors are less clear. Here, we review potential evidences for a novel central role of the transcription factor nuclear factor kappa B (NF-kappaB) in these crucial signal transduction processes. NF-kappaB is an inducible transcription factor detected in neurons, glia and neural stem cells. NF-kappaB was discovered by David Baltimore's laboratory as a transcription factor in lymphocytes. NF-kappaB is involved in many biological processes such as inflammation and innate immunity, development, apoptosis and anti-apoptosis. It has been recently shown that members of the NF-kappaB family are widely expressed by neurons, glia and neural stem cells. In the nervous system, NF-kappaB plays a crucial role in neuronal plasticity, learning, memory consolidation, neuroprotection and neurodegeneration. Recent data suggest an important role of NF-kappaB on proliferation, migration and differentiation of neural stem cells. NF-kappaB is composed of three subunits: two DNA-binding and one inhibitory subunit. Activation of NF-kappaB takes place in the cytoplasm and results in degradation of the inhibitory subunit, thus enabling the nuclear import of the DNA-binding subunits. Within the nucleus, several target genes could be activated. In this review, we suggest a model explaining the multiple action of NF-kappaB on neural stem cells. Furthermore, we discuss the potential role of NF-kappaB within the so-called brain cancer stem cells.

Tumor necrosis factor alpha triggers proliferation of adult neural stem cells via IKK/NF-kappaB signaling

BACKGROUND: Brain inflammation has been recognized as a complex phenomenon with numerous related aspects. In addition to the very well-described neurodegenerative effect of inflammation, several studies suggest that inflammatory signals exert a potentially positive influence on neural stem cell proliferation, migration and differentiation. Tumor necrosis factor alpha (TNF-alpha) is one of the best-characterized mediators of inflammation. To date, conclusions about the action of TNF on neural stem or progenitor cells (NSCs, NPCs) have been conflicting. TNF seems to activate NSC proliferation and to inhibit their differentiation into NPCs. The purpose of the present study was to analyze the molecular signal transduction mechanisms induced by TNF and resulting in NSC proliferation. RESULTS: Here we describe for the first time the TNF-mediated signal transduction cascade in neural stem cells (NSCs) that results in increased proliferation. Moreover, we demonstrate IKK-alpha/beta-dependent proliferation and markedly up-regulated cyclin D1 expression after TNF treatment. The significant increase in proliferation in TNF-treated cells was indicated by increased neurosphere volume, increased bromodeoxyuridin (BrdU) incorporation and a higher total cell number. Furthermore, TNF strongly activated nuclear factor-kappa B (NF-kappaB) as measured by reporter gene assays and by an activity-specific antibody. Proliferation of control and TNF-treated NSCs was strongly inhibited by expression of the NF-kappaB super-repressor IkappaB-AA1. Pharmacological blockade of IkappaB ubiquitin ligase activity led to comparable decreases in NF-kappaB activity and proliferation. In addition, IKK-beta gene product knock-down via siRNA led to diminished NF-kappaB activity, attenuated cyclin D1 expression and finally decreased proliferation. In contrast, TGFbeta-activated kinase 1 (TAK-1) is partially dispensable for TNF-mediated and endogenous proliferation. Understanding stem cell proliferation is crucial for future regenerative and anti-tumor medicine. CONCLUSION: TNF-mediated activation of IKK-beta resulted in activation of NF-kappaB and was followed by up-regulation of the bona-fide target gene cyclin D1. Activation of the canonical NF-kappaB pathway resulted in strongly increased proliferation of NSCs.