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Effects of Interferon alpha on mouse and human hematopoietic stem cells

Wurzer, Stephan

German Title: Effekte von Interferon alpha auf murine und humane hematopoietische Stammzellen

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Abstract

Maintenance of the hematopoietic system is dependent on hematopoietic stem cells (HSCs). During homeoastasis HSCs are quiescent. However upon injury, HSCs can efficiently be activated, leading to repair of the system. Signals leading to the activation of quiescent HSCs are still largely unknown. Recently our group has shown that administration of IFNα leads to activation of mouse HSCs in vivo. This is mediated by activation of IFNAR/STAT1 signaling followed by the up-regulation of Sca-1, however the exact mechanism of cell cycle activation remains unclear. To get further insight into this process we performed microarray analysis on HSCs after treatment with IFNα. This screen identified several candidate genes, which are potentially involved in HSC activation, including cell cycle regulators like p57KIP2, Maged1 and Reprimo as well as cytokines like Ccl5 and Cxcl10, which are key regulators of inflammatory responses. Furthermore we identified interferon response genes like Ifitm1, Ifitm3, Iigp1, Iigp3 or Ddx58, which were previously linked to regulation of proliferation in different contexts. Along these studies we uncovered that Ifitm1 and Ifitm3 expression is highly enriched within hematopoietic stem and progenitor cells both on the RNA as well as on the protein level. Moreover expression is further induced by IFNα. However mice lacking the Ifitm family show normal hematopoiesis and normal HSC numbers and cycling behavior of HSCs in homeostatic conditions. Ifitm-deficient HSCs are capable to self-renew and differentiate similar to wild-type HSCs. This suggests that the Ifitm protein family is dispensable for HSCs during homeostasis. Notably Ifitm-deficient HSCs are also efficiently activated by IFNα, similar to wild type HSCs. Microarray analysis of HSCs from Ifitm deficient mice, both during homeostasis and after administration of IFNα, showed no differences in the expression profiles, indicating a role for the Ifitm family as terminal effectors rather than regulatory proteins within HSCs. During our study it was shown by others that the Ifitm family is a potent viral restriction factor in endothelial cells. We are currently investigating whether Ifitm proteins have a similar role in the immune defense of HSCs. Thus far it is still unclear whether human HSCs are similarly activated by IFNα as mouse HSCs. To elucidate this we established a xenotransplantation model with human cord blood cells, which allows testing of the effects of IFNα on human HSCs in vivo. Surprisingly, unlike mouse HSCs, human HSCs are not activated by IFNα in this model. Notably human HSCs in this model are already less quiescent during homeostasis compared to their mouse counterparts. In the mouse also the bacterial endotoxin LPS can induce cell cycle activation in HSCs. Surprisingly LPS similarly activates human HSCs in our model. Gene expression analysis showed a high overlap between the genes induced in mouse and human HSCs after LPS treatment, while IFNα only affected cell cycle regulatory genes in murine HSCs. One explanation for this phenotype could be an impaired interaction of murine stromal niche cells with human HSCs and we are currently investigating this in more detail. Finally we examined the effect of IFNα on quiescent leukemic stem cells (LSCs). While IFNα is known to activate normal mouse HSCs, it is unclear whether also LSCs are similarly affected. To address this we investigated the effects of IFNα on LSCs in a mouse model for chronic myeloid leukemia. Surprisingly LSC were less efficiently activated compared to normal HSCs. This can be explained by down-regulation of the IFNAR by BCR-ABL kinase activity, which was previously described in vitro. This also highlights the importance of exact timing of LSC activation and treatment in combination therapy approaches. Our group is currently using this model to further identify and optimize new possible combination therapies.

Translation of abstract (German)

Hämatopoietische Stammzellen (HSCs) sind die Vorläuferzellen blutbildender Zellen und essentiell für die Erneuerung des Blutsystems. Normalerweise sind HSCs ruhend, können aber in Falle von Schädigungen des Blutsystems sehr schnell aktiviert werden. Die Signale, welche zu dieser Aktivierung von HSCs führen, sind weitgehend unbekannt. Kürzlich konnte unsere Gruppe zeigen, dass IFNα in der Maus HSCs aktivieren kann. Diese Aktivierung wird hauptsächlich durch den IFNAR/STAT1 Signalweg vermittelt, gefolgt von Überexpression des Stammzellantigens Sca-1. Der exakte Mechanismus der Aktivierung ist allerdings noch unbekannt. Um weitere Einblicke in diesen Aktivierungsprozess zu erlangen haben wir mRNA Expressionsanalysen von HSCs vor und nach IFNα Behandlung mit Hilfe von Microarrays durchgeführt. Hierbei haben wir mehrere Gene identifiziert, die möglicherweise eine Rolle in der Aktivierung von HSCs spielen könnten. Zu diesen gehören die Zellzyklus-Regulatoren p57KIP2, Maged1 und Reprimo, sowie die Cytokine Ccl5 und Cxcl10, welche wichtige Mediatoren entzündlicher Prozesse sind. Interessanterweise identifizierten wir darüber hinaus zahlreiche Interferon induzierte Gene wie z.B. Ifitm1, Ifitm3, Iigp1, Iigp3 und Ddx58, welche bereits in einem anderem Kontext in der Regulation der Proliferation beschrieben wurden. Anknüpfend an diese Studien konnten wir zeigen, dass die Expression von Ifitm1 und Ifitm3 in HSCs sowohl auf RNA als auch auf Protein Ebene bereits in Homöostase stark erhöht sind. Darüber hinaus bewirkt IFNα-Gabe eine weitere Steigerung des Expressionslevels. Mäuse, die keine Ifitm Proteine besitzen, haben eine normale Blutbildung, eine normale Anzahl an HSC sowie ein normales Zellteilungsverhalten in HSCs im Vergleich zu Wildtyp-Mäusen. Zusätzlich hat die Ifitm-Defizienz in HSCs keine Auswirkungen auf die Selbsterneuerungsrate und Differenzierungsfähigkeit. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Ifitm Protein Familie in HSCs während der Homöostase keine Rolle spielt. Gleichsam können Ifitm-defiziente HSCs ebenfalls mittels IFNα aktiviert werden. Microarray Analysen von HSCs Ifitm-defizienter Mäuse zeigten keine Unterschiede zu wildtyp HSCs, weder während der Homöostase noch nach Induktion mit IFNα. Dies legt nahe, dass Ifitm Proteine keine regulatorische Funktion in HSCs besitzen, sondern eher als terminale Effektoren fungieren. Während unserer Studie wurde tatsächlich eine Rolle der Ifitm Protein Familie als virale Restriktionsfaktoren in Endothelzellen nachgewiesen. Wir untersuchen zur Zeit ob Ifitm-Proteine in HSCs eine ähnliche Funktion haben. Es ist nicht bekannt ob, neben HSCs der Maus, auch menschliche HSCs durch IFNα aktiviert werden können. Um dies genauer zu untersuchen, haben wir ein Xeno-Transplantationsmodell entwickelt. Dabei wird humanes Nabelschnurblut in dem sich HSCs befinden in Mäuse transplantiert und durch IFNα−Gabe die Auswirkungen auf die humanen HSCs evaluiert. Unerwarteterweise werden in diesem Modell humane HSCs im Gegensatz zu HSCs der Maus nicht durch IFNα aktiviert. Interessanterweise proliferieren in diesem Modell humane HSCs bereits in der Homöostase stärker als HSCs der Maus. Ein weiterer Aktivator von Maus HSCs ist das bakterielle Endotoxin LPS (Lipopolysaccharid). Überraschenderweise führt LPS auch zur Aktivierung humaner HSCs in unserem Xeno-Transplantationsmodell. Geneexpressions-analysen vor und nach LPS Behandlung zeigen eine große Überlappung zwischen den Genen, die in humanen und murinen HSCs durch LPS induziert werden. Im Gegensatz dazu weisen nur murine HSCs Veränderungen in Zellzyklus assoziierten Genen nach IFNα-Gabe auf. Eine Erklärung dafür könnte sein, dass im Xeno-Transplantationsmodell die Interaktion zwischen murinen Nischenzellen und humanen HSCs gestört ist. Wir untersuchen dies derzeit genauer. Weiters haben wir untersucht ob leukämische Stammzellen (LSCs) von IFNα aktiviert werden können. Hierzu haben wir die Effekte von IFNα auf LSCs in einem Maus Modell für Chronische Myeloide Leukämie untersucht. Zu unserer Überraschung wurden LSCs weniger effizient aktiviert als normale HSCs. Die Erklärung dafür könnte eine Runterregulierung des IFNAR durch die BCR-ABL Kinase sein, die bisher in vitro beschrieben wurde. Dies unterstreicht im Weiteren die Wichtigkeit einer exakten Abstimmung der Behandlungszeitpunkte mit verschiedenen Substanzen in einer möglichen Kombinationstherapie. Unsere Gruppe nutzt dieses Modell momentan zum Austesten und zur Optimierung von weiteren möglichen Kombinationstherapien.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Trumpp, Prof.Dr. Andreas
Date of thesis defense: 4 October 2012
Date Deposited: 08 Nov 2012 09:00
Date: 26 October 2012
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
570 Life sciences
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