Exploring epidermal stem cell engraftment

Objective: Cultured autologous epidermal stem cells are used to treat extensively burned patients. However, engraftment is variable and it is fundamental to know 1- how many stem cells survive the stress of transplantation and 2- how many stem cells are needed for long-term self-renewal of the regenerated epidermis. Therefore, we have recapitulated the transplantation of autologous cultured epidermal stem cells in the minipig to investigate the cellular and molecular mechanisms involved in engraftment. Methods: Pig keratinocytes were cultivated according to the protocol used in human epidermal cell therapy. Human surgical procedures were adapted to the pig. Engraftment was evaluated clinically and by histology. The presence of epidermal stem cells was evaluated by clonal analysis. The presence of dividing or apoptotic cells was revealed by Ki67 and cleaved-caspase3 immunostaining respectively. Results: The skin of the pig closely resembles human skin and contains clonogenic keratinocytes that can be serially cultivated, cloned or transduced with a gene encoding GFP (Green Fluorescent Protein) by means of recombinant retroviral vectors. Cultured epidermal autografts can be successfully transplanted and their behavior recapitulate our observations in the human. Our experiments confirm that the number of epidermal stem cells rapidly decreases following transplantation. Most importantly, the regenerated epithelium contains dividing cells but little apoptotic cells, thus indicating that transplanted stem cells are pushed toward differentiation in response to the transplantation procedure. Conclusions: The minipig model is extremely useful to investigate stem cell fate during transplantation in human. Understanding engraftment is crucial to improve cell therapy and to design a more efficient generation of epidermal stem cell based products.

Actin filament dynamics impacts keratinocyte stem cell maintenance.

Cultured human epidermal keratinocyte stem cells (holoclones) are crucial for regenerative medicine for burns and genetic disorders. In serial culture, holoclones progressively lose their proliferative capacity to become transient amplifying cells with limited growth (paraclones), a phenomenon termed clonal conversion. Although it negatively impacts the culture lifespan and the success of cell transplantation, little is known on the molecular mechanism underlying clonal conversion. Here, we show that holoclones and paraclones differ in their actin filament organization, with actin bundles distributed radially in holoclones and circumferentially in paraclones. Moreover, actin organization sets the stage for a differing response to epidermal growth factor (EGF), since EGF signalling induces a rapid expansion of colony size in holoclones and a significant reduction in paraclones. Furthermore, inhibition of PI3K or Rac1 in holoclones results in the reorganization of actin filaments in a pattern that is similar to that of paraclones. Importantly, continuous Rac1 inhibition in holoclones results in clonal conversion and reduction of growth potential. Together, our data connect loss of stem cells to EGF-induced colony dynamics governed by Rac1.

Acute myeloid leukaemia of donor cell origin developing 17 years after allogenic hematopoietic cell transplantation for acute promyelocytic leukaemia.

Donor cell leukaemia (DCL) is a rare complication of allogenic hematopoietic cell transplantation (HCT). We report the case of a female patient with acute promyelocytic leukaemia (APL), FAB type M3, who developed acute myeloid leukaemia (AML) type M5 of donor origin 17 years after allogenic bone marrow transplantation (BMT) from her HLA-matched sister. Morphology and immunophenotyping showed differences with the initial leukaemia, and short tandem repeat (STR) analysis confirmed donor-type haematopoiesis. Interphase fluorescence in situ hybridisation (FISH) showed an 11q23 deletion. Given that the latency period between transplant and development of leukaemia was the longest reported to date, we discuss the mechanisms underlying delayed leukaemia onset.

Genetic dissection of c-Myc function during mouse organogenesis

Résumé Le gène c-myc est un des oncogènes les plus fréquemment mutés dans les tumeurs humaines. Même si plus de 70 % des cancers humains montrent une dérégulation de c-Myc, les connaissances sur son rôle physiologique pendant le développement, et dans la souris adulte restent très peu connus. Récemment, notre laboratoire a pu montrer que c-Myc contrôle l'équilibre entre le renouvellement et la différenciation des cellules souches hématopoïetiques (CSH) dans la souris adulte. Ceci est probablement dû à lacapacité de c-Myc de contrôler l'entrée et la sortie des CSH de leur niche de la moelle osseuse, en régulant plusieurs molécules d'adhésion, parmi lesquelles la cadhérine-N (Wilson et al., 2004; Wilson and Trumpp, 2006). Des études utilisant un mutant d'inactivation ont demontré que la protéine c-Myc est essentielle pour le développement au delà du jour embryonnaire E9.5. Les embryons c-Myc déficients sont plus petits que la normale et possèdent de nombreux défauts; en particulier ils ne peuvent établir un système hématopoietique embryonnaire primitif (Trumpp et al., 2001). Nous avons récemment découvert que le développement du placenta dépend de la présence de cMyc. Ceci permet de proposer que certains, sinon tous, les défauts embryonnaires puorraient dériver indirectement d'un défaut nutritionnel causé par la défaillance du placenta. Afin de répondre à cette question de manière génétique, nous avons utilisé l'allele conditionel c-mycflox (Trumpp et al., 2001) en combinaison avec l'allele Sox2-Cre (Hayashi et al., 2002). Celui-ci détermine l'expression de la récombinase Cre spécifiquement dans les cellules de l'épiblaste à partir de E6.5, tandis qu'il n'y a pas, ou seulement très peu, d'activité de la récombinase Cre dans les tissus extraembryonnaires.Alnsi, cette stratégie nous permet de générer des embryons sans c-Myc qui se développent en présence d'un compartment extraembryonnaire ou c-Myc est exprimé normalement (Sox2Cre;c-mycflox2) Ces embryons, Sox2Cre;c-mycflox2 se développent et grandissent normalement tout en formant un système vasculaire normal, mais meurent à E11.5 à cause d'un sévère manque de cellules hématopoïetiques. De façon très intéressante, la seule population qui semble être présente en nombre à peu près normal dans ces embryons est celle des précurseurs et des cellules souches. Les cellules qui forment cette population prolifèrent normalement mais ne peuvent pas former des colonies in vitro, ce qui montre que ces cellules ont perdu leur activité de cellules souches. Cependant, lorsque nous avons analysé ces cellules plus en détail en éxaminant l'expression des molécules d'intégrine nous avons découvert que l'integrine ß est sur-éxprimée à la surface des cellules c-Myc déficientes. Ceci pourrait indiquer un mécanisme par lequel c-Myc régule des molécules d'adhésion sur les cellules du sang. En conséquence, en absence de c-Myc, l'adhésion et la migration des cellules du sang de l'AGM (Aorte-Gonade-Mésonéphros) vers le foie de l'embryon, à travers le système vasculaire, est compromise. En outre, nous avons pu montrer que les hépatocytes du foie, qui constitue le site principal de formation des cellules hématopoïetiques pendant le développement, est sévèrement atteint dans des Sox2Cre;c-mycflox2 embryons. Ceci n'est pas du à un défaut propre aux cellules hépatiques qui ont perdu c-Myc, mais résulte plutôt de l'absence de cellules hématopoietïques qui normalement colonisent le foie à ce stade du développement. Ces résultats représentent la première preuve directe que le développement des hépatoblastes est dépendant de signaux provenant des cellules du sang. Summary The myc gene is one of the most frequently mutated oncogenes in human tumors. It is found to be mis-regulated in over 70% of all human cancers. However, our knowledge about its physiological role in mammalian development and adulthood remains limited. Recent work in our laboratory showed that c-Myc controls the balance between hematopoietic stem cell (HSC) self-renewal and differentiation in the adult mouse. This is likely due to the capacity of c-Myc to control entry and exit of HSCs from the bone marrow niche by regulating a number of cell adhesion molecules including N-cadherin (Wilson et al., 2004; Wilson and Trumpp 2006). During development knockout studies showed that c-Myc is required for embryonic development beyond embryonic day (E) 9.5. c-Myc deficient embryos are severely reduced in size and show multiple defects including the failure to establish a primitive hematopoietic system (Trumpp et al., 2001). Importantly, we recentry uncovered that placental development also seems to depend on normal c-Myc function, raising the possibility that some if not all of the embryonic defects observed could be mediated indirectly by a nutrition defect caused by placental failure. To address this possibility genetically, we took advantage of the conditional c-mycflox allele (Trumpp et al., 2001) in combination with the Sox2-Cre allele (Hayashi et al., 2002), in which Cre expression is specifically targeted to all epiblast cells by E6.5, while there is little or no Cre activity inextra-embryonic lineages. Thus, this strategy allows the generation of c-Myc deficient embryos, which develop within a normal c-Myc expressing extra-embryonic compartment (Sox2Cre;c-mycflox2) Such Sox2Cre;c-mycflox2 embryos develop and grow appropriately and form a normal vascular system but die at E11.5 due to a severe lack of blood cells. Interestingly, the only hematopoietic population that seems to be present in almost normal numbers in the embryo is the stem/progenitor cell population. Cells within this populatíon proliferate normal but can not give rise to hematopoietic colonies in vitro showing that functional hematopoietic stem cell (HSC) activity is lost. However, when we analyzed these phenotypic HSCs in more detail and examined integrin expression in mutant stem/progenitor cells, we observed that ß1-integrin is upregulated. This may point to a potential mechanism whereby c-Myc regulates adhesíon molecules on hematopoietic cells and thereby disturbs adhesion and migration from the AGM (aorta-gonads-mesonephros) through the vascular system to the liver. Furthermore, we uncovered that the fetal liver, the main site of hematopoietic expansion at that stage, is severely affected in Sox2Cre;c-mycflox2 embryos and that this is not due to a cell intrinsic defect of c-Myc deficient hepatocytes but rather due to the lack of hematopoietic cells that normally colonize the fetal liver at that stage of development. This provides first direct evidence that hepatoblast development depends on signals derived from blood cells.

From diabetes to heart disease : studies on dyslipidemia-induced B-cell dysfunction, immunomodulation in heart transplantation, and cardiac stem cell therapy

Diabetes is a growing epidemic with devastating human, social and economic impact. It is associated with significant changes in plasma concentrations of lipoproteins. We tested the hypothesis that lipoproteins modulate the function and survival of insulin-secreting cells. We first detected the presence of several receptors that participate in the binding and processing of plasma lipoproteins and confirmed the internalization of fluorescent LDL and HDL particles in insulin-secreting β-cells. Purified human VLDL and LDL particles reduced insulin mRNA levels and β-cell proliferation, and induced a dose-dependent increase in the rate of apoptosis. In mice lacking the LDL receptor, islets showed a dramatic decrease in LDL uptake and were partially resistant to apoptosis caused by LDL. VLDL-induced apoptosis of β-cells involved caspase-3 cleavage and reduction in levels of the c-Jun N-terminal (JNK) Interacting Protein-1 (IB1/JIP-1). In contrast, the pro-apoptotic signaling of lipoproteins was antagonized by HDL particles or by a small peptide inhibitor of JNK. The protective effects of HDL were mediated, in part, by inhibition of caspase-3 cleavage and activation of the protein kinase Akt/PKB. Heart disease is a major cause of morbidity and mortality among patients with diabetes. When heart failure is refractory to medical therapy and cannot be improved by electrical resynchronization, percutaneous angioplasty or coronary graft bypass surgery, heart transplantation remains a "last resort" therapy. Nevertheless, it is limited by the side effects of immunosuppressive drugs and chronic rejection. Localized expression of immunomodulatory genes in the donor organ can create a state of immune privilege within the graft, and was performed in rodent hearts by infecting cells with an adenovirus encoding indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO), the rate-limiting enzyme in the catabolism of tryptophane. Other strategies are based on genetic manipulation of dendritic cells (DCs) with immunosuppressive genes and in vitro exposure of DCs to agents that prevent their maturation by inflammatory cytokines. Finally, we used 5-bromo-2'-deoxyuridine, which is incorporated into DNA and diluted with cell division, to identify long-term label retaining cells in the adult rodent heart. The majority of these cells were positive for the stem cell antigen-1 (Sca-1) and negative for the endothelial precursor marker CD31. They formed cardiospheres in vitro and showed differentiation potential into mesenchymal cell lineages. When cultured in cardiomyogenic differentiation medium, they expressed cardiac-specific genes. Taken together, these data provide evidence of slow-cycling stem cells in the rodent heart. Chronic shortage of donor organs opens the way to cardiac stem cell therapy in humans, although the long way from animal experimentation to routine therapy in patients may still take several years. - Du diabète de type 2 à la maladie coronarienne : trois études sur les dysfonctions de la cellule sécrétrice d'insuline induites par les dyslipidémies, l'immunomodulation dans la transplantation cardiaque, et la thérapie par des cellules souches myocardiques. Le diabète de type 2 a pris les dimensions d'une épidémie, avec des conséquences sociales et économiques dont nous n'avons pas encore pris toute la mesure. La maladie s'accompagne souvent d'une dyslipidémie caractérisée par une hypertriglycéridémie, des taux abaissés de cholestérol HDL, et des concentrations de cholestérol LDL à la limite supérieure de ce qui est considéré comme acceptable. L'hypothèse à la base de cette étude est qu'une modification des taux plasmatiques de lipoprotéines pourrait avoir une influence directe sur la cellule β sécrétrice d'insuline en modifiant sa fonction, sa durée de vie et son taux de régénération. Dans un premier temps, nous avons mis en évidence, sur la cellule β, la présence de plusieurs récepteurs impliqués dans la captation des lipoprotéines. Nous avons confirmé la fonctionnalité de ces récepteurs en suivant l'internalisation de LDL et de HDL marqués. En présence de VLDL ou de LDL humains, nous avons observé une diminution de la transcription du gène de l'insuline, une prolifération cellulaire réduite, et une augmentation de l'apoptose, toutes fonctions de la dose et du temps d'exposition. L'apoptose induite par les VLDL passe par une activation de la caspase-3 et une réduction du taux de la protéine IB1/JIP-1 (Islet Brain1/JNK Interacting Protein 1), dont une mutation est associée à une forme monogénique de diabète de type 2. Par opposition, les HDL, ainsi que des peptides inhibiteurs de JNK, sont capables de contrer la cascade pro-apoptotique déclenchée, respectivement, par les LDL et les VLDL. Ces effets protecteurs comprennent l'inhibition du clivage de la caspase-3 et l'activation de la protéine kinase Akt/PKB. En conclusion, les lipoprotéines sont des éléments clés de la survie de la cellule β, et pourraient contribuer au dysfonctionnement observé dans le pancréas endocrine au cours du développement du diabète. La maladie cardiaque, et plus particulièrement la maladie coronarienne, est une cause majeure de morbidité et de mortalité chez les patients atteints de diabète. Plusieurs stratégies sont utilisées quotidiennement pour pallier les atteintes cardiaques: traitements médicamenteux, électromécaniques par resynchronisation électrique, ou communément appelés « interventionnels » lorsqu'ils font appel à l'angioplastie percutanée. La revascularisation du myocarde par des pontages coronariens donne également de très bons résultats dans certaines situations. Il existe toutefois des cas où plus aucune de ces approches n'est suffisante. La transplantation cardiaque est alors la thérapie de choix pour un nombre restreint de patients. La thérapie génique, en permettant l'expression locale de gènes immunomodulateurs dans l'organe greffé, permet de diminuer les réactions de rejet inhérentes à toute transplantation (à l'exception de celles réalisées entre deux jumeaux homozygotes). Nous avons appliqué chez des rongeurs cette stratégie en infectant le coeur greffé avec un adénovirus codant pour l'enzyme indoleamine 2,3-dioxygénase (IDO), une enzyme clé dans le catabolisme du tryptophane. Nous avons procédé de manière identique in vitro en surexprimant IDO dans les cellules dendritiques, dont le rôle est de présenter les antigènes aux lymphocytes Τ du receveur. Des expériences similaires ont été réalisées en traitant les cellules dendritiques avec des substances capables de prévenir, en partie du moins, leur maturation par des agents pro-inflammatoires. Finalement, nous avons exploré une stratégie utilisée couramment en hématologie, mais qui n'en est encore qu'à ses débuts au niveau cardiaque : la thérapie par des cellules souches. En traitant des rongeurs avec un marqueur qui s'incorpore dans l'ADN nucléaire, le 5-bromo- 2'-deoxyuridine, nous avons identifié une population cellulaire se divisant rarement, positive en grande partie pour l'antigène embryonnaire Sca-1 et négative pour le marqueur endothélial CD31. En culture, ces cellules forment des cardiosphères et sont capables de se différencier dans les principaux types tissulaires mésenchymateux. Dans un milieu de differentiation adéquat, ces cellules expriment des gènes cardiomyocytaires. En résumé, ces données confirment la présence chez le rongeur d'une population résidente de précurseurs myocardiques. En addenda, on trouvera deux publications relatives à la cellule β productrice d'insuline. Le premier article démontre le rôle essentiel joué par la complexine dans l'insulino-sécrétion, tandis que le second souligne l'importance de la protéine IB1/JIP-1 dans la protection contre l'apoptose de la cellule β induite par certaines cytokines.

Mutant p63 causes defective expansion of ectodermal progenitor cells and impaired FGF signalling in AEC syndrome.

Ankyloblepharon-ectodermal defects-cleft lip/palate (AEC) syndrome, which is characterized by cleft palate and severe defects of the skin, is an autosomal dominant disorder caused by mutations in the gene encoding transcription factor p63. Here, we report the generation of a knock-in mouse model for AEC syndrome (p63(+/L514F) ) that recapitulates the human disorder. The AEC mutation exerts a selective dominant-negative function on wild-type p63 by affecting progenitor cell expansion during ectodermal development leading to a defective epidermal stem cell compartment. These phenotypes are associated with impairment of fibroblast growth factor (FGF) signalling resulting from reduced expression of Fgfr2 and Fgfr3, direct p63 target genes. In parallel, a defective stem cell compartment is observed in humans affected by AEC syndrome and in Fgfr2b(-/-) mice. Restoring Fgfr2b expression in p63(+/L514F) epithelial cells by treatment with FGF7 reactivates downstream mitogen-activated protein kinase signalling and cell proliferation. These findings establish a functional link between FGF signalling and p63 in the expansion of epithelial progenitor cells and provide mechanistic insights into the pathogenesis of AEC syndrome.

Beta-catenin is dispensable for hematopoiesis and lymphopoiesis.

Beta-catenin-mediated Wnt signaling has been suggested to be critically involved in hematopoietic stem cell maintenance and development of T and B cells in the immune system. Unexpectedly, here we report that inducible Cre-loxP-mediated inactivation of the beta-catenin gene in bone marrow progenitors does not impair their ability to self-renew and reconstitute all hematopoietic lineages (myeloid, erythroid, and lymphoid), even in competitive mixed chimeras. In addition, both thymocyte survival and antigen-induced proliferation of peripheral T cells is beta-catenin independent. In contrast to earlier reports, these data exclude an essential role for beta-catenin during hematopoiesis and lymphopoiesis.

Dynamic regulation of notch 1 and notch 2 surface expression during T cell development and activation revealed by novel monoclonal antibodies.

It is well established that Notch signaling plays a critical role at multiple stages of T cell development and activation. However, detailed analysis of the cellular and molecular events associated with Notch signaling in T cells is hampered by the lack of reagents that can unambiguously measure cell surface Notch receptor expression. Using novel rat mAbs directed against the extracellular domains of Notch1 and Notch2, we find that Notch1 is already highly expressed on common lymphoid precursors in the bone marrow and remains at high levels during intrathymic maturation of CD4(-)CD8(-) thymocytes. Notch1 is progressively down-regulated at the CD4(+)CD8(+) and mature CD4(+) or CD8(+) thymic stages and is expressed at low levels on peripheral T cells. Immunofluorescence staining of thymus cryosections further revealed a localization of Notch1(+)CD25(-) cells adjacent to the thymus capsule. Notch1 was up-regulated on peripheral T cells following activation in vitro with anti-CD3 mAbs or infection in vivo with lymphocytic chorio-meningitis virus or Leishmania major. In contrast to Notch1, Notch2 was expressed at intermediate levels on common lymphoid precursors and CD117(+) early intrathymic subsets, but disappeared completely at subsequent stages of T cell development. However, transient up-regulation of Notch2 was also observed on peripheral T cells following anti-CD3 stimulation. Collectively our novel mAbs reveal a dynamic regulation of Notch1 and Notch2 surface expression during T cell development and activation. Furthermore they provide an important resource for future analysis of Notch receptors in various tissues including the hematopoietic system.