Molekulární mechanismy vzniku a regulace hematopoetických buněk

Mgr. Kateřina Štefková, Ph.D.

Doctoral thesis

Molecular mechanisms of the development and regulation of hematopoietic cells

Abstract:

Krvetvorba neboli hematopoéza je nejlépe charakterizovaný proces diferenciace v těle. Hematopoetické kmenové buňky (HSC) jsou multipotentní kmenové buňky, které mají schopnost sebeobnovy a diferenciace do všech krevních buněčných typů a jsou zároveň jediné kmenové buňky využívané rutinně v medicíně pro léčbu řady krevních onemocnění. Ačkoli jsou transplantace HSC používány v klinice již po desetiletí, stále je velkou výzvou pochopit proces regulace jejich sebeobnovy a diferenciace. Abychom mohli těmto regulačním mechanismům porozumět, je důležité pochopit také vývoj hematopoetických kmenových buněk a jejich původ. Embryonální kmenové (ES) buňky jsou pluripotentní buňky, které za určitých specifických podmínek mohou dát vznik buňkám všech tří zárodečných listů. Proces diferenciace ES buněk rekapituluje embryogenezi a tím nám dává jedinečný model umožňující nahlédnout do vývojových procesů. Mnohé transkripční faktory, které regulují sebeobnovu a diferenciaci HSC již byly objeveny, ale k pochopení vzniku a vývoje hematopoetických buněk nám stále zbývá odhalit značné množství signálních drah a molekul zde zapojených. V této práci, se zaměřuji na p38alpha mitogenem aktivovanou proteinkinázu (MAPK) a její zapojení v regulaci a vzniku hematopoézy. Nejprve jsme ověřili vlastnosti embryonálních kmenových buněk s mutací genu p38alpha a porovnali je s tzv. divokým typem těchto ES buněk. Jedním z rozdílů byla vyšší produkce reaktivních kyslíkových metabolitů (ROS) u buněk p38alpha-/-, což by mohlo mít vliv na diferenciační potenciál těchto buněk do buněk různých zárodečných listů. Na druhou stranu, obecné vlastnosti embryonálních kmenových buněk se zdají být u p38alpha-/- buněk nezměněné. Dále, jsme poodhalili zapojení p38alpha kinázy během hematopoetické diferenciace, a to ve třech krocích. Nepřítomnost funkce p38alpha kinázy vedla k inhibici tvorby hemangioblastů v prvním kroku hematopoetické diferenciace. Mutace p38alpha dále vedla k porušení tvorby a zrání erytrocytů. Současně pak p38alpha kináza hraje důležitou roli v diferenciaci společného myeloidního progenitoru směrem do linií granulocytů. Nakonec jsme se rozhodli analyzovat úlohu p38alpha kinázy v průběhu hematopoetické diferenciace z buněk fetálních jater a kostní dřeně. Zapojení p38alpha MAPK se liší jak v průběhu diferenciace hematopoetických progenitorů z buněk fetálních jater a kostní dřeně, tak také v průběhu diferenciace z ES buněk. Je tedy zřejmé, že p38alpha kináza je zapojena do hematopoetické diferenciace na všech úrovních vývoje.

Abstract:

Hematopoiesis is the best-characterized differentiation process in the body. Hematopoietic stem cells (HSC) are multipotent stem cells that have the ability to self-renew and to differentiate into all the functional blood cell type and they are the only routine clinical used stem cells for treatment of variety of blood cell disease. Even though HSC transplantation has been applied in the clinic for decades, regulation of HSC self-renewal, differentiation, and development is still a major challenge. In order to understand the regulatory mechanisms of HSC, it is important to comprehend the origin and development of HSC. The embryonic stem cells (ESCs) are pluripotent and under specific condition can give rise to cells from all three germ layers. The process of differentiation of ESCs recapitulates the embryogenesis and it gives us a unique insight into developmental processes. Various transcriptional factors which regulate the self-renewal and differentiation of HSC were elucidated but the fully understanding of signaling cascades and origins of specific lineages is still considerable. In this thesis, we focus on the p38alpha mitogen activated protein kinase (MAPK) and its involvement in establishment and regulation of the hematopoiesis. First of all is the examination of cell fate of ESCs with depletion of p38alpha (p38alpha-/-) in comparison to their wild type cells (p38alpha+/+). The one of distinction of p38alpha-/- is higher production of reactive oxygen species (ROS), which could influence the differentiation potential into specific germ layer. However, the overall ESC potential seems to be unchanged. Further, we revealed that p38alpha kinase is involved in the three steps in the process of hematopoietic differentiation. Firstly, the absence of p38alpha kinase led to the inhibition of hemangioblast formation during the first step of hematopoiesis. During differentiation, the mutation of p38alpha kinase led to the impairment of erythrocyte maturation. Concurrently, p38alpha kinase plays an important role in the differentiation of common myeloid precursor cells into granulocyte lineages. Finally, we analyzed the role of p38alpha kinase in the differentiation of the hematopoietic cells from the fetal liver and bone marrow. The role of p38alpha varies between the hematopoietic progenitors from bone marrow and fetal liver and the differences differences exist in the hematopoietic differentiation from the ESCs. Thus, it is evident; that the p38alpha is involved in the hematopoietic differentiation at all levels of development.

Keywords

embryonální kmenová buňka, hematopoéza, p38 kináza, embryonic stem cell, hematopoiesis, p38 kinase

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 4. 7. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 6. 9. 2019
• Supervisor: Mgr. Jiří Pacherník, Ph.D.
• Reader: doc. RNDr. Sabina Ševčíková, Ph.D., Mgr. Petr Vodička, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Animal Physiology