Utilizing the GADD45-MAP3K4-P38 MAPK axis to control hematopoietic stem cell self-renewal and differentiation for therapeutic stem cell expansion
Cell Biology
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurden molekulare und funktionelle Mechanismen untersucht, welche hämatopoetische Stammzellen (HSC) für deren Kontrolle von Selbsterneuerung und Differenzierung nutzen. Obwohl HSCs für die regenerative Medizin und Zelltherapie von größter Bedeutung sind und Millionen Stammzelltransplantationen erfolgreich in den letzten Jahrzehnten durchgeführt wurden, ist man noch nicht in der Lage, diese Zellen in Zellkultur zu erhalten oder zu vermehren. Die Aufklärung dieser Mechanismen soll dazu beitragen, diesem Ziel näher zu kommen. Wir konnten in diesem Projekt zeigen, dass durch die Verwendung von chemischen Substanzen, die die respiratorische Oxidierung für den Energiestoffwechsel in murinen HSCs hemmen, wie z.B. Antimycin A und Rotenone, HSCs in vitro langsamer differenzieren und die erste Zellteilung deutlich verzögern. Dadurch ist die lentivirale Integration (als Modell für eine Gentherapie) direkt in den isolierten HSCs, und nicht erst in deren weiter differenzierten Nachkommen. Leider hatte die in vitro Kultur mit diesen Substanzen keinen Effekt auf die Blutzellregeneration von HSCs nach serieller Transplantation in Empfängermäuse in vivo. Auch die Verwendung von p38 Inhibitoren, wie durch unsere Vorarbeiten belegt, zeigte in vivo keinen zusätzlichen Vorteil für die Blutzellregeneration. Diese Daten führten uns zu der Untersuchung der mitochondrialen Aktivität und des Energiestoff‐ wechsels in murinen HSCs und multipotenten Vorläuferzellen (MPPs). Wir konnten mittels des nicht‐ invasiven Farbstoffs JC‐1, welcher mitochondriales Potential misst, belegen, dass im Organismus 13% der HSCs und 27% der MPPs eine hohe mitochondriale Aktivität besitzen („mito‐high“). Interessanterweise waren diese aktivierten HSCs, im Gegensatz zu der aktuellen Lehrmeinung, sehr potent in der Blutzellregeneration nach serieller Transplantation. Diese aktivierten mito‐high HSCs zeigten eine langzeitliche, hohe Rekonstitution aller Blutzelllinien, im Vergleich zu ruhenden HSCs (mito‐low). Anders stellte sich das Bild für MPPs dar: hier waren MPPs, die in ein Ruhestadium mit niedriger mitochondrialer Aktivität wechseln, deutlich kompetenter in Langzeitrekonstitution im Vergleich zu mito‐high MPPs. Untersuchungen des Energiestoffwechsels und der Genexpression wiesen distinkte Muster von HSCs und MPPs mit unterschiedlicher mitochondrialer Aktivität auf. Hier zeigten v.a. mito‐high HSCs deren Aktivierung in Zellzyklus und Genexpression, und einen sehr hohen Energiestoffwechsel (hohes ATP Level) unter Beteiligung von Glykolyse und oxidativer Respiration. Diese Ergebnisse zeigen erstmalig, dass aktivierte HSCs hervorragende Stammzelleigenschaften für erfolgreiche Transplantationen besitzen. Bei den Untersuchungen der molekularen Kontrolle von Selbsterneuerung und Differenzierung in HSCs konnten wir zeigen, dass der Transkriptionsregulator RUNX1 und die Phosphatase PTPRJ nötig sind, um die Differenzierung durch den Gadd45g‐Map3K4‐p38 Signalweg in HSCs zu aktivieren. Auch somatische Mutationen in humanen HSCs wurden identifiziert und untersucht, die die klonale Dominanz von HSCs steigern, und zu dem Phänomen „Klonale Hämatopoese“ bei hämatologisch gesunden Menschen führen. Wir konnten in mehreren Publikationen zeigen, dass HSCs mit diesen Mutationen kompetitiver sind nach autologer Stammzelltransplantation und dass Menschen mit Mutationen in den Genen DNMT3A oder TET2 eine klinische Assoziation zeigen mit schwerer chronischer Herzinsuffizienz. Stammzellmutationen in TET2 führen zu einer Vermehrung der Stamm‐ und Vorläuferzellen in Trägern mit diesen Mutationen, während DNMT3A nicht zu einem Anstieg der absoluten Stammzellzahl führt. Die Erkenntnisse aus diesem Projekt sind von großem klinisch‐translationalem Interesse.
Publications
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The endogenous tumor suppressor microRNA‐193b: therapeutic and prognostic value in acute myeloid leukemia. J Clin Oncol 36:1007‐1016
Bhayadia, R., , Krowiorz, K., Haetscher, N., Jammal, R., Emmrich, S., Obulkasim, A. Fiedler, J., Schwarzer, A., Rouhi, A., Heuser, M., Wingert, S., Bothur, S., Döhner, K., Mätzig, T., Ng, M., Reinhardt, D., Döhner, H., Zwaan, C. M., van den Heuvel‐Eibrink, M. M., Heckl, D., Fornerod, M., Thum, T., Humphries, R. K., Rieger, M. A., Kuchenbauer, F., Klusmann, J.‐H.
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(2019) Functional Dominance of CHIP‐Mutated Hematopoietic Stem Cells in Patients Undergoing Autologous Transplantation. Cell Rep 27(7):2022‐2028.e3
Ortmann, C.A., Dorsheimer, L., Abou‐El‐Ardat. K., Hoffrichter, J., Assmus, B., Bonig, H., Scholz, A., Pfeifer, H., Martin, H., Schmid, T., Brüne, B., Scheich, S., Steffen, B., Riemann, J., Hermann, S., Dukat, A., Bug, G., Brandts, C.H., Wagner, S., Serve, H., Rieger, M.A.
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Dorsheimer, L., Assmus, B. , Rasper, T., Ortmann, C.A., Ecke, A., Abou‐El‐Ardat, K., Schmid, T., Brüne, B., Wagner, S., Serve, H., Hoffmann, J., Seeger, F., Dimmeler, S., Zeiher, A.M., Rieger, M.A.
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(2020) Differential Alternative Polyadenylation Landscapes Mediate Hematopoietic Stem Cell Activation and Regulate Glutamine Metabolism. Cell Stem Cell 26(5):722‐738
Sommerkamp, P., Altamura, S., Renders, S., Narr, A., Ladel, L., Zeisberger, P., Eiben, P.L., Fawaz, M., Rieger, M.A., Cabezas‐Wallscheid, N., Trumpp, A.
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Hematopoietic alterations in chronic heart failure patients by somatic mutations leading to clonal hematopoiesis. Haematologica e328‐e332
Dorsheimer, L., Assmus, B., Rasper, T., Ortmann, C.A., Abou‐El‐Ardat, K., Kiefer, K.C., Hoffmann, J., Seeger, F., Bonig, H., Dimmeler, S., Zeiher, A.M., Rieger, M.A.
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Full spectrum of clonal haematopoiesis‐driver mutations in chronic heart failure and their associations with mortality. ESC Heart Failure
Kiefer, K.C., Cremer, S., Pardali, E., Assmus, B., Abou‐El‐Ardat, K., Kirschbaum, K., Dorsheimer, L., Rasper, T., Berkowitsch, A., Serve, H., Dimmeler, S., Zeiher, A.M., Rieger, M.A.
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GPR182 is an endothelium‐specific atypical chemokine receptor that maintains hematopoietic stem cell homeostasis. Proc Natl Acad Sci U S A 118(17):e2021596118
Le Mercier, A., Bonnavion, R., Yu, W., Alnouri, M.W., Ramas, S., Zhang, Y., Jäger, Y., Roquid, K.A., Jeong, H.‐W., Sivaraj, K.K., Cho, H, Chen, X., Strilic, B., Sijmonsma, T., Adams, R., Schroeder, T., Rieger, M.A., Offermanns, S.
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Single cell RNA sequencing reveals profound changes in circulating immune cells in patients with heart failure. Cardiovasc. Res. 117(2):484‐494
Abplanalp, W.T., John, D., Cremer, S., Assmus, B., Dorsheimer, L., Hoffmann, J., Becker‐Pergola, G., Rieger, M.A., Zeiher, A.M., Vasa‐Nicotera, M., Dimmeler, S.
