Moleculair landschap van de hematopoëtische stamcelwieg

Behoefte aan hematopoëtische stamcellen in de kliniek
De constante productie van kortlevende hematopoëtische cellen, of bloedcellen, gedurende het hele leven is afhankelijk van een klein aantal hematopoëtische stamcellen (HSC’s) die zich bij volwassenen in het beenmerg bevinden. Defecte HSC’s leiden tot verschillende bloed gerelateerde aandoeningen en kankers die gedeeltelijk worden behandeld door HSC-transplantaties. Sinds tientallen jaren leveren onderzoekers inspanningen om HSC’s in het lab te maken om een alternatief te bieden voor de beperkte voorraad donor-compatibele HSC’s voor klinisch gebruik. Ondanks recente vooruitgang blijven de kweekprotocollen voor HSC’s in het laboratorium suboptimaal in het nabootsen van de micro-omgeving, of niche, rondom de HSC’s. Een dergelijke niche is nodig om de vorming van HSC’s in gang te zetten en ervoor te zorgen dat ze hun stamceleigenschappen op lange termijn te behouden (zodat ze continue alle bloedceltypes kunnen blijven maken). Een betere kennis van de factoren en processen die betrokken zijn bij de vorming van HSC’s in het lichaam, is daarom vereist om kweekprotocollen voor HSC’s in het lab te verbeteren.

Het verkennen van de aorta, de wieg van hematopoëtische stamcellen
De specifieke locatie van een stamcel binnen een gegeven micro-omgeving bepaalt het lot, het gedrag en de moleculaire identiteit van de stamcel via een complexe extrinsieke regulatie die nog lang niet volledig is opgehelderd. Alle HSC’s zijn afkomstig van een gespecialiseerde subset van endotheelcellen, die de bloedvaten vormen. Deze cellen heten hemogene endotheelcellen. Via een proces dat endotheel-naar-hematopoëtische overgang (EHT) wordt genoemd worden uiteindelijk de HSC’s gevormd. EHT komt voor in de belangrijkste slagaders van het embryo, zoals de aorta, tijdens vroege embryonale ontwikkeling. Na EHT worden hematopoëtische cellen georganiseerd in clusters die tijdelijk aan de wand van de aorta zijn bevestigd, waar cellen geleidelijk hun HSC-eigenschappen verwerven. EHT is een sterk geconserveerd proces dat voorkomt bij alle gewervelde dieren op precieze locaties in de aorta en op bepaalde tijdstippen tijdens de ontwikkeling. Deze spatio-temporele specificiteit suggereert dat specifieke moleculaire signalen in de omgeving van de aorta deze speciale endotheelcellen instrueren zodat ze HSC’s gaan vormen. Hoe de aorta-niche deze essentiële processen in het lichaam regelt, is nog onduidelijk.

Het moleculaire landschap van de aorta-niche en daarbuiten
Om de moleculaire kenmerken en sleutelcomponenten van de aorta-micro-omgeving te verkennen, waar HSC’s gevormd worden, hebben de onderzoekers een techniek die RNA-tomografie-sequencing (tomo-seq) heet toegepast op embryo’s van zebravissen, kippen, muizen en mensen. Met behulp van deze techniek konden ze bepalen welke genen actief waren in segmenten van het embryo van kop naar staart en van rug naar buik. Ze gebruikten de kaarten met genactiviteit die hieruit naar voren kwamen om specifiek de genen en processen te verkennen die actief zijn in de aorta-micro-omgeving. Door de resultaten van de verschillende diersoorten te vergelijken en functionele analyses uit te voeren, ontdekten ze dat het landschap van de aorta-micro-omgeving erg complex is. Ze ontdekten dat een fijne afstemming van verschillende factoren de vorming van HSC’s regelt. Sommige van deze factoren waren specifiek voor bepaalde diersoorten, andere kwamen voor bij alle soorten. De anterieure-posterieure (kop naar staart) en dorsaal-ventrale (rug naar buik) kaarten met genactiviteit die in deze studie zijn gemakt bieden ook een krachtig en ongekend hulpmiddel voor de wetenschappelijke gemeenschap. De onderzoekers bieden anderen de mogelijkheid om een ​​bredere analyse uit te voeren via een interactieve website (http://multi-species.embryos.tomoseq.genomes.nl), om het activiteitspatroon van een bepaald gen nauwkeurig te vergelijken in elke micro-omgeving langs de lichaamsassen van vier embryosoorten, om moleculaire signalen te identificeren die mogelijk betrokken zijn bij de vorming van weefsels in het ontwikkelende embryo, of om nieuwe genen te identificeren die een expressiepatroon volgen dat lijkt op dat van een bekend gen.

Nieuwe geconserveerde regulatoren van HSC-generatie in vivo
De regulatie van HSC’s door extrinsieke signalen is een complex proces dat plaatsvindt via direct cel-celcontact of via uitgescheiden moleculen over een langere afstand. Deze signalen kunnen direct hun invloed uitoefenen of secundaire signalen induceren. Door de tomo-seq-gegevens over de aorta-micro-omgeving en eerder gepubliceerde RNA-seq data van HSC-clustercellen te combineren, identificeerden de onderzoekers ADM en RAMP2 als een belangrijk geconserveerd ligand-receptor-paar dat betrokken is bij de productie van HSC’s in het lichaam. Ze ontdekten ook het uitgescheiden eiwit SVEP1 als de eerste extrinsieke regulator van zowel clustercellulariteit als de specialisatie van clustercellen naar een HSC-lot.

De huidige studie benadrukt de complexiteit van het aorta micro-omgevingslandschap op het moment dat HSC’s gevormd worden en biedt inzicht in de afstemming van verschillende factoren die met elkaar een interactie aangaan om de HSC-productie in het lichaam zowel in tijd als in de ruimte te sturen.

~~~

Publicatie
Multispecies RNA tomography reveals regulators of hematopoietic stem cell birth in the embryonic aorta. Laurent Yvernogeau, Anna Klaus^#, Joris Maas^#, Ismaël Morin-Poulard^#, Bart Weijts, Stefan Schulte-Merker, Eugene Berezikov, Jan Philipp Junker en Catherine Robin
^# deze auteurs hebben evenveel bijgedragen

George Lacaud heeft een beschouwing geschreven over dit artikel: Decoding Hematopoietic Stem Cells Birth.