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Identification of Epo-independent red cell progenitors : the E-cad+ progenitors

  • Red cell development in adult humans results in the mean daily production of 2x1011 erythrocytes. Mature hemoglobinized and enucleated erythrocytes develop from multipotent hematopoietic stem/progenitor cells through more committed progenitor cell types such as BFU-E and CFU-E. The studies on the molecular mechanisms of erythropoiesis in the human system require a sufficient number of purified erythroid progenitors of the different stages of erythropoiesis. Primary human erythroid progenitors are difficult to obtain as a homogenous population in sufficiently high cell numbers. Various culture conditions for the in vitro cell culture of primary human erythroid progenitors have been previously described. Mainly, the culture resulted in the generation of rather mature stages of Epo-dependent erythroid progenitors. In this study our efforts were directed towards the isolation and characterization of more early red cell progenitors that are Epo-independent. To identify such progenitors, CD34+ cells were purified from cord blood andRed cell development in adult humans results in the mean daily production of 2x1011 erythrocytes. Mature hemoglobinized and enucleated erythrocytes develop from multipotent hematopoietic stem/progenitor cells through more committed progenitor cell types such as BFU-E and CFU-E. The studies on the molecular mechanisms of erythropoiesis in the human system require a sufficient number of purified erythroid progenitors of the different stages of erythropoiesis. Primary human erythroid progenitors are difficult to obtain as a homogenous population in sufficiently high cell numbers. Various culture conditions for the in vitro cell culture of primary human erythroid progenitors have been previously described. Mainly, the culture resulted in the generation of rather mature stages of Epo-dependent erythroid progenitors. In this study our efforts were directed towards the isolation and characterization of more early red cell progenitors that are Epo-independent. To identify such progenitors, CD34+ cells were purified from cord blood and cultured under serum free conditions in the presence of the growth factors SCF, IL-3 and hyper-IL-6, referred to as SI2 culture conditions. By immunomagnetic bead selection of E-cadherin (E-cad) positive cells, E-cad+ progenitors were isolated. These Epo-independent E-cad+ progenitors have been amplified under SI2 conditions to large cell numbers. The E-cad+ progenitors were characterized for surface antigen expression by flow cytometry, response to growth factors in proliferation assay and for their differentiation potential into mature red cells. Additionally, the properties of E-cad+ progenitors were compared to those of two other erythroid progenitors: Epo-dependent progenitors described by Panzenböck et al. (referred to as SCF/Epo progenitor), and CD36+ progenitors described by Freyssinier et al. (Panzenböck et al., 1998; Freyssinier et al., 1999). Finally, the gene expression profile of E-cad+ progenitors was compared to the profiles of SCF/Epo progenitors and CD36+ progenitors using the DNA microarray technique. Based on our studies we propose that Epo-independent E-cad+ progenitors are early stage, BFU-E like progenitors. They respond to Epo, despite the fact that they were generated in the absence of Epo, and can completely undergo erythroid differentiation. Furthermore, we demonstrate that the growth properties, the growth factor response and the surface marker expression of E-cad+ progenitors are similar to those of the SCF/Epo progenitors and the CD36+ progenitors. By the comparison of gene profiles, we were also able to demonstrate that the Epo-dependent and Epo-independent red cell progenitors are very similar. Analyzing the molecular differences between E-cad+ and SCF/Epo progenitors revealed several candidate genes such as galectin-3, cyclin D1, AMHR, PDF and IGFBP4, which are potential regulators involved in red cell development. We also demonstrate that the CD36+ progenitors, isolated by immunomagentic bead selection, are a heterogeneous progenitor population containing an E-cad+ and an E-cad- subpopulation. Based on their gene expression profile, CD36+ progenitors seem to exhibit both erythroid and megakaryocytic features. These studies led to a more updated model of erythroid cell development that should pave the way for further studies on molecular mechanisms of erythropoiesis.show moreshow less
  • Erythrozyten zählen zu den am häufigsten vorkommenden terminal differenzierten Zelltypen des menschlichen Körpers. Durchschnittlich werden täglich ca. 2 x 1011 von ihnen im Körper eines erwachsenen Menschen produziert. Die reifen Erythrozyten entstehen aus multipotenten hämatopoetischen Stammzellen, die über Stadien von erythroiden Vorläuferzellen, erst den sogenannten burst forming units-erythroid (BFU-E) und später den colony forming units-erythroid (CFU-E), zu kernlosen hämoglobinisierten Zellen differenzieren. Für die Untersuchung der molekularen Mechanismen der humanen Erythropoese ist die effektive in vitro Amplifizierung einer weitgehend homogenen Population der Vorläuferzellen der einzelnen Entwicklungsstadien notwendig. Den Wachstumsfaktoren stem cell factor (SCF) und Erythropoietin (Epo) fällt dabei eine entscheidende Rolle zu. Unter ihrem synergistischen Einfluß lassen sich Epo-abhängige Zellpopulationen, die sich aus BFU-E und CFU-E Typ Zellen zusammensetzen, ausreichend amplifizieren (Panzenböck et al., 1998).Erythrozyten zählen zu den am häufigsten vorkommenden terminal differenzierten Zelltypen des menschlichen Körpers. Durchschnittlich werden täglich ca. 2 x 1011 von ihnen im Körper eines erwachsenen Menschen produziert. Die reifen Erythrozyten entstehen aus multipotenten hämatopoetischen Stammzellen, die über Stadien von erythroiden Vorläuferzellen, erst den sogenannten burst forming units-erythroid (BFU-E) und später den colony forming units-erythroid (CFU-E), zu kernlosen hämoglobinisierten Zellen differenzieren. Für die Untersuchung der molekularen Mechanismen der humanen Erythropoese ist die effektive in vitro Amplifizierung einer weitgehend homogenen Population der Vorläuferzellen der einzelnen Entwicklungsstadien notwendig. Den Wachstumsfaktoren stem cell factor (SCF) und Erythropoietin (Epo) fällt dabei eine entscheidende Rolle zu. Unter ihrem synergistischen Einfluß lassen sich Epo-abhängige Zellpopulationen, die sich aus BFU-E und CFU-E Typ Zellen zusammensetzen, ausreichend amplifizieren (Panzenböck et al., 1998). Freyssinier et al., 1999 beschrieb erstmals die Isolierung einer Epo-unabhängigen Population von Vorläuferzellen (CD36+ Vorläuferzellen), die ebenfalls erythroide Eigenschaften aufweisen. Ziel dieser Arbeit war die Isolierung und Charakterisierung von Epo-unabhängigen Vorläuferzellen, die eine frühe erythroide und möglichst homogene Vorläuferzellpopulation darstellen und möglicherweise ein höheres Proliferationspotential aufweisen. Für die Identifizierung der Epo-unabhängigen Vorläuferzellen, wurden CD34+ Zellen aus Nabelschnurblut aufgereinigt und unter serumfreien Kulturbedingungen und unter Zusatz der Wachstumsfaktoren SCF, Interleukin 3 (IL-3) und eines Fusionsproteins aus IL-6 und löslichem IL-6 Rezeptor (hyper-IL-6) über einen Zeitraum von 8 Tagen kultiviert. Anschließend wurde eine Population von E-cadherin positiven (E-cad+) Zellen über immunomagnetische Selektion isoliert. Diese neu gewonnenen Epo-unabhängigen E-cad+ Vorläuferzellen wurden hinsichtlich ihres proliferativen Potentials und ihrer Differenzierungseigenschaften mit SCF/Epo-Vorläuferzellen und CD36+ Vorläuferzellen verglichen. Von allen drei Zelltypen wurden des weiteren detailierte molekulargenetische Analysen mittels DNA microarray Technologie durchgeführt und die resultierenden Genexpressionsmuster miteinander verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die E-cad+ Vorläuferzellen eine frühe, weitgehend homogene Epo-unabhängige Population vom BFU-E Typ darstellen und durch entsprechende Änderungen der Kulturbedingungen zu einer in vitro Differenzierung angeregt werden können. Die E-cad+ Vorläuferzellen sind hinsichtlich ihres proliferativen Potentials, ihrer Reaktion auf verschiedene Wachstumsfaktoren, der Expression spezifischer Oberflächenmoleküle und ihrer Genexpressionsmuster mit SCF/Epo-Vorläuferzellen und CD36+ Vorläuferzellen vergleichbar. Aufgrund der Identifizierung unterschiedlich exprimierter Gene zwischen den Epo-unabhängigen E-cad+ und den Epo-abhängigen SCF/Epo Vorläuferzellen konnten Kanditatengene wie Galectin-3, Cyclin D1, der Anti-Müllerian Hormonrezeptor, Prostata-Differenzierungsfaktor und insulin-like growth factor binding protein 4 identifiziert werden, die als potentielle Regulatoren der Erythropoese in Betracht kommen könnten. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass CD36+ Vorläuferzellen, die aus der selben Zellpopulation wie die E-cad+ Vorläuferzellen immunomagnetisch selektioniert wurden, eine heterogene Population darstellen, die sowohl E-cadherin positive als auch negative Zellen enthält. Die Analyse der Genexpressionsmuster zeigte, dass in den CD36+ Vorläuferzellen zwar auch die Expression erythroid-spezifischen Gene nachgewiesen werden kann, hier aber im Gegensatz zu den E-cad+ Vorläuferzellen auch für Megakaryozyten spezifische Gene stark exprimiert sind. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zu einem neuen Modell der in vivo Abläufe der Entwicklung roter Blutzellen bei und werden der weiteren Untersuchung der molekularen Mechanismen der Erythropoese dienen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Britt Lemke
URN:urn:nbn:de:kobv:517-0001432
Advisor:Martin Zenke, Susanne Klaus, Dieter O. Fürst
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2004
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2004/06/22
Release Date:2005/02/10
Tag:E-cadherin; Erythropoese; Hämatopoetische Stammzellen; human
E-cadherin; erythropoiesis; hematopoetic stem cells; human
RVK - Regensburg Classification:WX 6604 , WC 4460 , WE 2600
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie