Regulation of hematopoiesis by the Smad signaling pathway

Abstract: Popular Abstract in Swedish Varje dag bildas ca 10^12 nya blodceller i människokroppen. Denna enorma produktion av celler utgår från benmärgen och pågår under hela vårt liv. Ytterst sett är denna process beroende av en till antalet liten cellpopulation av sk blodstamceller eller hematopoietiska stamceller. Den enorma potential som vilar i detta system illustreras av det faktum att en enda blodstamcell är tillräckligt för att generera ett helt blodsystem med alla dess mogna cellkomponenter och distinkta funktioner. Blodstamcellerna definieras främst med avseende på funktionella kriterier, varav en är multipotentiell differentieringsförmåga, dvs förmåga att bilda alla typer av mogna blodceller från röda och vita blodkroppar till blodplättar. Dessutom karaktäriseras blodstamcellerna av sin förmåga att självförnya sig, dvs efter celldelning bibehålls stamcellens identitet av minst en dottercell. Blodbildning är en intrikat och dynamisk process vilken regleras av ett tätt nätverk av molekylära mekanismer. Dessa består dels av molekyler och proteiner i cellerna själva men också av tillväxtfaktorer, andra cellkomponenter och en rad andra molekyler i den omgivande miljön i benmärgen. Av externa faktorer är transforming growth factor-? (TGF-?) en central familj av tillväxtfaktorer, vilken består av närmare 40 olika ligander. TGF-? och besläktade faktorer reglerar ett vitt spektrum av biologiska processer och figurerar avsevärt under embryogenesen men även i den vuxna organismen. Intracellulärt signalerar TGF-? genom ett maskineri av signalproteiner, vilka tillhör Smad familjen av proteiner. Denna avhandling har kretsat kring hur TGF-? och Smad signalering bidrar till regleringen av blodbildning och blodstamceller med musen som modellorganism. Med hjälp av två inducerbara knockout modeller, riktade mot typ I TGF-? receptorn (ALK5) respektive Smad4, har vi kunnat studera TGF-'s och Smad signaleringens roll i hematopoiesen i den vuxna kontexten. Dessutom har vi använt oss av överuttryck av en inhibitorisk Smad, Smad7, som ett verktyg för att blockera hela signaleringskaskaden. En rad studier, de flesta utförda in vitro, har tidigare visat att TGF-? har en starkt inhibitorisk effekt på primitiva hematopoietiska celler och stamceller, varför vi förväntade oss att se en effekt på blodbildningen i möss som inte besitter intakt signalering från TGF-? receptorn. När TGF-? signalen blockerades i hematopoietiska celler, genom att exon 3 i ALK5 genen deleterades, utvecklade mössen en inflammatorisk sjukdom vilken var letal vid 8-10 veckor efter induktionen. Trots detta var alla hematopoietiska parametrar normala, inklusive blodstamcellernas regenerativa och självförnyande förmåga efter transplantation. Dessa studier visade att TGF-? är umbärlig för reglering av hematopoies in vivo och understryker vikten av studier riktade mot att undersöka en given gen i dess korrekta fysiologiska miljö. Genom inducerad deletion av Smad4 blockeras hela signaleringskaskaden nedströms om inte bara TGF-? utan alla medlemmar i ligand-familjen. I vuxna möss ledde detta till en letal fenotyp, vilken karaktäriserades av patologiska förändringar i kolon vilket i sin tur ledde till blödningar från tarm och som följd av det anemi. När benmärg från inducerade Smad4 möss transplanterades till letalt bestrålade möss i konkurrens med celler av normal genotyp, uppvisade de mutanta cellerna en sämre benägenhet för att regenerera blodsystemet, detta indikerar en defekt självförnyande förmåga. Smad7 är en inhibitorisk Smad, vilket innebär att den blockerar Smad signalering från alla ligander i TGF-? familjen. Genom att överuttrycka Smad7 i blodstamceller, med hjälp av retroviral genöverföring, kunde vi effektivt blockera Smad signalerna. När dessa celler transplanterades till letalt bestrålade möss hade de en normal differentieringsförmåga men uppvisade en ökad regenerativ förmåga efter sekundär transplantation, vilket tyder på en ökad förmåga till självförnyelse. Sammanfattningsvis kan vi konstatera att Smad signalering är en viktig regleringsmekanism för blodstamcellerna i deras naturliga fysiologiska miljö och att blockering av Smad signalering påverkar deras självförnyande förmåga.