Différenciation hématopoïétique des cellules souches embryonnaires humaines

Hematopoietic differentiation of human embryonic stem cells

• Auteur / Autrice : Oléna Klimchenko
• Direction : William Vainchenker, Françoise Norol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie des cellules sanguines
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lignage cellulaire

Cellules souches embryonnaires

Mégacaryocytes

Hématopoïèse

Progéniteurs érythroïdes et mégacaryocytaires

Différenciation cellulaire

Résumé

L'hématopoïèse chez les vertébrés comporte deux vagues : l'une extra embryonnaire, transitoire dite primitive et la seconde d'origine intra embryonnaire dite définitive. Cette séquence chez les mammifères a bien été étudiée chez la souris La disponibilité limitée d'échantillons humains au stade des premières semaines du développement fait des cellules souches embryonnaires humaines (hES) un outil unique pour étudier les différents événements qui surviennent au cours de l'ontogenèse. L'objectif de ma thèse était d'étudier l'hématopoïèse embryonnaire en se basant sur le modèle des cellules ES pour caractériser des changements ontogéniques et mieux comprendre la physiopathologie de certaines hémopathies qui surviennent sur des progéniteurs foetaux. La première partie a été consacrée à l'étude du développement de la lignée érythroide et mégacaryocytaire. Ce travail a permis d'identifier un progéniteur bipotent érythro-mégacaryocytaire (MEP) au cours de l'hématopoïèse embryonnaire primitive humaine. Nous avons également montré que le MEP se situe en amont des progéniteurs monopotents commis exclusivement vers la lignée érythroïde et mégacaryocytaire et produisent respectivement les érythrocytes matures nucléés et les plaquettes. L'étude de la régulation spécifique du développement des MEPs embryonnaires a permis d'établir les mécanismes moléculaires de l'engagement vers une lignée spécifique pendant les différenciations érythroblastiques et mégacaryocytaires primitives. Ces résultats suggèrent que l'hématopoïèse primitive du sac vitellin chez l'homme est associée à l'émergence simultanée des lignées érythroblastiques et mégacaryocytaires. La deuxième partie de ma thèse a été consacrée à l'étude de l'ontogénie de la lignée monocytaire humaine. Ce travail nous a permis de montrer que le processus de différenciation des monocytes et des macrophages à partir des cellules ES humaines reproduit les grandes étapes de la monocytopoïèse observée chez l'adulte dans la moelle osseuse. Nous avons observé que les macrophages générés à la fois dans des cultures de cellules embryonnaires et foetales étaient fonctionnels, capables de phagocytose ainsi que de sécrétion d'interleukines et de facteurs de croissance. L'étude des interleukines produites a mis en évidence aussi bien au niveau moléculaire que protéique une balance vers un phénotype anti-inflammatoire ainsi qu'une réponse déficiente à la stimulation par le LPS et l'IFNy. Ces données complétées par le fait que les macrophages expriment fortement une grande variété de cytokines pro-angiogéniques et des quantités très importantes de métalloprotéases permettent de les classer dans le groupe des macrophages polarisés M2 doués principalement d'une fonction trophique et de remodellage tissulaire. La comparaison des systèmes de différenciation vers la lignée monocytaire à partir des cellules hES et des cellules CD34+ adultes et foetales dans les mêmes conditions cytokiniques suggère que les différences ontogéniques pourraient reposer sur des voies de différendation distinctes. L'ensemble de ces résultats suggère que les monocytes/macrophages issus de cellules embryonnaires et foetales humaines ont en commun des propriétés antiinflammatoires et trophiques qui pourraient avoir un rôle majeur dans l'implantation et le développement du foetus dans les premières semaines de la vie.

Hematopoiesis in vertebrates includes two waves: one transitional extraembryonic called primitive and the second intra-embryonic origin called definitive. This sequence in mammals has been well studied in mice and much more difficult in humans for ethical reasons. The development of cell lines of human embryonic stem) offers a unique cellular model to study the different events mat occur during ontogeny. The goal of my thesis was to study embryonic hematopoiesis in the ES cell model to characterize the ontogenetic changes and better understand the pathophysiology of certain malignancies that occur on fetal progenitors. The first part of my thesis was devoted to studying the development of erythroid and megakaryocytic lineage. This work has identified the bipotent erythro-megakaryocytic progenitor (MEP) during thé embryonic primitive human hematopoiesis. We also showed that the MEP is upstream of monopotent progenitors committed exclusively to erythroid and megakaryocytic and produce mature nucleated erythrocytes and ,respectively. Platelets. The study of the specific regulation of embryonic development of MEPs help to establish the molecular mechanisms of commitment to a specific lineage differentiation during erythroblastic and megakaryocytic primitive. These results suggest that the primitive yolk sac hematopoiesis in humans is associated with the simultaneous emergence of erythroblastic and megakaryocytic fines. The second part of my thesis was devoted to the study of the ontogeny of human embyonic monopoesis. This work has enabled us to show that the process of macrophage differentiation from human ES cells reproduces the main stages of monopoiesis observed in adult bone marrow. Monocytic cells derived from human ES cells (huESC) express a combination of cell-surface markers that overlap with adult blood resident monocytes and showed an anti- inflammatory state that was confirmed at the level of secreted proteins. This polarization appeared to be related to ontogeny as fetal liver CD34+ cells- derived monocytic cells demonstrated a very similar phenotype. Both embryonic and fetal monocytic cells showed an enhanced expression of genes encoding tissue degrading enzymes, anti-inflammatory chemokines and scavenger receptors. They secreted high amounts of proteins acting on tissue remodeling and angiogenesis in comparison to blood adult monocytes and they promoted the development of large blood vessels in xeno-transplanted human tumors. These ontogenic functional properties correlated with a specific pathway of differentiation. These findings suggest that the differentiation of monocytic cells during human development may produce a majority of cells endowed mainly with antiinflammatory and trophic fonctions, supporting human fetus development.