Stage-specific changes in the Krebs cycle network regulate human erythroid differentiation

by Manuela Romano

Doctoral thesis in Biologie Santé

Under the supervision of Naomi Taylor and Sandrina Kinet.

defended on 20-12-2018

in Montpellier , under the authority of Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé , in a partnership with Institut de Génétique Moléculaire de Montpellier (laboratoire) .

Thesis committee President: Narla Mohandas.

Thesis committee members: Naomi Taylor, Sandrina Kinet, Narla Mohandas, Alyson Macinnes.

Examiners: Narla Mohandas, Alyson Macinnes.


  • Abstract

    Hematopoiesis is the process whereby hematopoietic stem cells (HSCs) proliferate and differentiate to all blood cell lineages. While HSC commitment is known to be regulated by cytokines, transcription factors, epigenetic modifiers and the HSC niche, our group found that specification of HSCs to the red cell lineage is dependent on glutamine metabolism. Glutaminolysis contributes to de novo nucleotide biosynthesis and to the generation of the alpha-ketoglutarate (αKG) TCA cycle metabolite (Oburoglu et al. 2014). Importantly though, erythroid differentiation is a unique process as each daughter cell is structurally and functionally different from its parent cell. Each division defines a stage of differentiation with the final division cycle resulting in the production of an enucleated reticulocyte which further matures to a biconcave erythrocyte. Thus, we hypothesized that progenitor metabolic networks change as a function of the erythroid differentiation stage and moreover, that they regulate the transition of progenitors from one stage of differentiation to the next.During my PhD, I assessed the metabolic alterations that occur as a function of the erythroid differentiation stage. We showed that at early stages of human red cell development, prior to terminal differentiation, hematopoietic progenitors exhibited an increased metabolic activity with a significantly higher level of oxidative phosphorylation (OXPHOS). This correlated with the increased generation of αKG and indeed, we found that ectopic αKG directly augmented OXPHOS in these progenitors. However, the terminal differentiation of erythroid precursors, characterized by the loss of mitochondrial mass and membrane potential, was associated with a decreased level of OXPHOS. Notably, ectopic αKG, which did not alter pro-erythroblast erythroid differentiation, severely attenuated terminal differentiation and enucleation. Conversely, an αKG antagonist (dimethyloxalyl glycine, DMOG) did not negatively impact on terminal differentiation or enucleation despite abrogating OXPHOS in erythroblasts.These data suggested that the production of αKG and its subsequent contribution to oxidative phosphorylation perturb red cell enucleation. We therefore downregulated isocitrate dehydrogenase I (IDH1), the cytosolic enzyme that catalyzes the conversion of isocitrate to αKG, by an shRNA approach in an attempt to decrease αKG levels. However, because IDH1 can catalyze both the forward and reverse reactions, its downregulation could also increase αKG levels. Indeed, we found that IDH1 knockdown resulted in a severe attenuation of terminal erythroid differentiation and enucleation. This effect was likely due to an imbalance in substrate availability––both ectopic αKG as well as citrate further decreased polychromatic to orthochromatic erythroblast differentiation and the subsequent enucleation of IDH1-knockdown erythroid precursors. Thus, the present study identifies a crucial role for the αKG metabolite in regulating mitochondrial function and oxidative phosphorylation, processes that are a sine qua non for erythroid precursors at the pro-erythroblast stage. We further show that terminal erythroid differentiation and enucleation requires OXPHOS suppression and the IDH1-mediated enzymatic catalysis of its TCA substrates.To conclude, the results generated during my PhD highlight the dynamic nature of the metabolic networks that regulate the progression of erythroid precursors through the distinct stages of erythroid differentiation.

  • Alternative Title

    Régulation des stades d’érythropoïèse humaine par des modifications dans le cycle de Krebs


  • Abstract

    Le processus conduisant à la prolifération et différenciation des cellules souches hématopoïétiques (CSH) en cellules de toutes les lignées sanguines s’appelle l’hématopoïèse. Bien que l'engagement des CSH soit régi par les cytokines, les facteurs de transcription, les modificateurs épigénétiques et la niche des CSH, notre groupe a constaté que leur engagement vers la lignée érythroïde dépendait aussi du métabolisme de la glutamine. La glutaminolyse contribue à la biosynthèse des nucléotides de novo ainsi qu’à la production de l'alpha-kétoglutarate (αKG), intermédiaire métabolique du cycle TCA (Oburoglu et al. 2014). Il est cependant important de noter que la différenciation érythroïde est un processus unique, où chaque cellule fille est structurellement et fonctionnellement différente de sa cellule mère. Chaque division définit un stade de différenciation précis avec un dernier cycle de division produisant un réticulocyte énucléé. Ainsi, nous avons émis l'hypothèse que les réseaux métaboliques mobilisés dans les progéniteurs érythroïdes changent en fonction du stade de différenciation et que ces réseaux régulent la transition des progéniteurs d'un stade à l'autre.Au cours de ma thèse, j’ai caractérisé les états métaboliques associés aux différents stades de différenciation des progéniteurs érythroïdes. Nous avons ainsi montré qu'aux stades précoces de différenciation érythroïde, avant la différenciation terminale, les progéniteurs hématopoïétiques présentent une activité métabolique accrue avec un niveau de phosphorylation oxydative (OXPHOS) plus élevé. Ces données sont en corrélation avec l'augmentation de la génération de l’αKG à ces stades de différenciation. De plus, nous avons constaté une augmentation de l’OXPHOS de ces progéniteurs en présence d’αKG exogène. Cependant, la différenciation terminale des précurseurs érythroïdes, caractérisée par la perte de la masse mitochondriale et de leur potentiel membranaire, est associée à une diminution du niveau d'OXPHOS. Ainsi, l'administration exogène d’αKG, a fortement atténué la différenciation érythroïde terminale et l'énucléation, sans affecter la différenciation des pro-érythroblastes. Inversement, un antagoniste de l’αKG (diméthyloxalylglycine, DMOG) n'a pas altéré la différenciation terminale ou l'énucléation, malgré l'abrogation de l'OXPHOS dans les érythroblastes.Ces données suggèrent que la production d’αKG et sa contribution à l’OXPHOS perturbent l'énucléation des globules rouges. C'est pourquoi, dans le but de réduire les niveaux intracellulaires d’αKG, nous avons inhibé l’expression de l'isocitrate déshydrogénase I (IDH1), enzyme cytosolique catalysant la conversion de l'isocitrate en αKG. Cependant, comme IDH1 peut catalyser les réactions dans les deux sens, la diminution de son expression pourrait également augmenter les niveaux d’αKG. En effet, nous avons constaté que le knockdown d'IDH1 entraînait une forte atténuation de la différenciation terminale et de l'énucléation des précurseurs érythroïdes. Cet effet est probablement dû à un déséquilibre de la disponibilité des substrats ; ainsi l’administration ectopique de l’αKG ainsi que du citrate renforce l’altération de la différenciation terminale des précurseurs érythroïdes IDH1-/- ainsi que leur énucléation. Cette étude identifie donc un rôle crucial pour le métabolite αKG dans la régulation de la fonction mitochondriale et de l’OXPHOS, processus qui sont une condition sine qua non pour la différenciation des précurseurs érythroïdes au stade proérythroblaste. Nous montrons en outre que la suppression d’OXPHOS et la catalyse d’intermédiaires du TCA, substrats d’IDH1, sont requis pour les phases terminales de la différenciation érythroïde et l'énucléation.En conclusion, les résultats obtenus au cours de ma thèse mettent en évidence la nature dynamique des réseaux métaboliques qui régulent la progression des précurseurs érythroïdes tout au long des différents stades de la différenciation érythroïde.



The full text of this thesis will be freely available from 20-12-2020

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