Rôle des gènes HOX du paralogue 4 dans l'autorenouvellement des cellules souches et progéniteurs hématopoïétiques

La transplantation de cellules souches hématopoïétiques (CSH) est un traitement couramment utilisé pour traiter plusieurs types de maladies hématologiques telles que les leucémies. Par contre, une limite importante de ce type de traitement est la quantité restreinte de CSH disponibles pour la transplantation. Il importe donc de trouver des moyens pour expandre efficacement ces cellules ex vivo tout en préservant leurs propriétés. Le gène HOXB4 est présentement un candidat très prometteur pour atteindre cet objectif. Il a en effet été montré que HOXB4 est capable d’expandre les CSH in vivo et in vitro sans mener au développement de leucémie. Le gène HOXC4, qui appartient au même paralogue est aussi en mesure d’expandre les cellules hématopoïétiques primitives suggérant un rôle commun pour les gènes HOX du paralogue 4 dans l’autorenouvellement des CSH. Le gène HOXA4 est dix fois plus exprimé que le gène HOXB4 dans des CSH du foie fœtal au moment de leur principale expansion. De plus, les CSH mutantes pour Hoxa4, contrairement aux CSH mutantes pour Hoxb4, sont incapables de reconstituer un receveur irradié lorsqu’elles sont transplantées en condition de compétition. HOXA4 pourrait donc jouer un rôle plus important que les autres gènes du paralogue 4 pour l’expansion des CSH au niveau physiologique. Nous avons donc posé l’hypothèse que HOXA4 est capable d’expandre des CSH de façon plus importante que HOXB4.  Les résultats obtenues dans le cadre de ce projet de recherche ont montré que la surexpression de HOXA4 était capable d’expandre les CSH et les progéniteurs hématopoïétiques primitifs dans le même ordre que ce qui est connu pour HOXB4. Des cultures et des essais de transplantation en situation de compétition ont confirmé la capacité égale des CSH surexprimant HOXA4 et HOXB4 de proliférer et de reconstituer les receveurs irradiés à long terme. Par contre, nous avons observé une meilleure reconstitution périphérique à court terme par les CSH HOXA4+ par rapport aux CSH HOXB4+, associée à une meilleure reconstitution lymphoïde. Nous avons aussi comparé les niveaux d’expression de gènes cibles potentiels dans des CSH surexprimant HOXA4 ou HOXB4 et observer que plusieurs gènes importants pour la fonction des CSH était régulé positivement suite à leur surexpression, notamment plusieurs gènes impliqués dans les voies de signalisation Notch et Wnt, tels que des récepteurs et ligands. Les gènes HOX du paralogue 4 pourraient donc réguler la communication entre les CSH et leur microenvironnement via ces voies de signalisation majeures et ainsi réguler leur autorenouvellement. La modulation de différents gènes codant pour des facteurs de transcription et des molécules impliquées dans la pluripotence suggère également que HOXA4 et HOXB4 utilisent des mécanismes intrinsèques et extrinsèques pour réguler leur potentiel d’autorenouvellement.   Ces connaissances pourront ainsi être utilisées pour optimiser les protocoles d’expansion ex vivo des CSH dans un but thérapeutique. Transplantation of hematopoietic stem cells (HSC) is a treatment commonly used to treat several types of hematological diseases such as leukemia. However, a major limitation of this type of treatment is the limited number of HSC available for transplantation. It is therefore important to develop ways to expand these cells ex vivo. The HOXB4 gene is a promising candidate for achieving this goal. It has indeed been shown that HOXB4 is able to expand HSC in vivo and in vitro without inducing leukemia. HOXC4, which belongs to the same paralog group, is also able to expand primitive hematopoietic cell suggesting a common role for paralog 4 HOX genes in the self-renewal of HSC. HOXA4 is ten times more expressed in fetal liver HSC during their primary expansion. Furthermore, Hoxa4 mutant HSC, unlike Hoxb4 mutant HSC, are unable to reconstitute an irradiated recipient when transplanted in competition. Therefore, HOXA4 could play a more important role than other paralog 4 genes for HSC expansion at the physiological level and we hypothesized that HOXA4 can expand HSC more efficiently than HOXB4.  The results obtained during this research project showed that the overexpression of HOXA4 expand HSC and primitive hematopoietic progenitors in the same order as HOXB4. Direct competitive culture and transplantation assays confirmed the equal capacity of HSC overexpressing HOXA4 and HOXB4 to proliferate and engraft at long-term. However, we observed a better short-term peripheral reconstitution by HOXA4+ HSC compared to HOXB4+ HSC, which was associated with a better lymphoid reconstitution. We also compared the expression levels of potential target genes in HSC overexpressing HOXA4 or HOXB4 and observed that many genes important for HSC function were upregulated following their overexpression, including several genes involved in the Notch and Wnt signaling pathway. These included both receptors as well as ligands, indicating that HOX4 genes might regulate the communication of primitive HSCs with their environment through these major signaling pathways and promote self-renewal. In addition, modulation of genes coding for transcription factors and molecules known for their function in pluripotency suggest that HOXA4 and HOXB4 have both intrinsic and extrinsic potential to control self renewal potential.   This knowledge can then be further explored and used to optimize ex vivo HSC expansion protocols for clinical purposes.

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