RNA-sequencing and transcriptome analysis of hematopoietic stem cells in systemic lupus erythematosus

Abstract

Systemic Lupus Erythematosus (SLE) is a prototypic autoimmune disease that affects mainly women and typically exhibits manifestations in multiple organs including skin, joints, kidneys and nervous system. It is a complex disease resulting from the interaction of heritable (genetic and epigenetic), hormonal and environmental factors. Immune complexes, auto-antibodies and all blood cells (auto-reactive lymphocytes, dendritic cells, etc) are involved in clinical manifestations. Hematopoietic Stem and Progenitor Cells (HSPCs) are multipotent cells giving rise to all blood cell lineages, both myeloid and lymphoid. We reasoned that the aberrancies of immune cells observed in SLE could be traced back to HSPCs. The aim of the study is to further investigate the role and function of bone marrow-derived HSPCs in SLE. Bone marrow (BM) samples from female NBZW/F1 lupus-prone mice and their age-matched controls were used. HSPCs defined as Lin-Sca-1+c-Kit+ hematopoietic progenitors (LSK). Transcriptomic analysis of LSK from diseased lupus mice demonstrated a strong myeloid signature accompanied with expanded frequencies of common myeloid progenitors (CMPs) -but not of common lymphoid progenitors (CLPs)- reminiscent of a “trained immunity” signature. CMP profiling revealed an intense transcriptome reprogramming with suppression of granulocytic regulators as major regulators such as Cebpe, Cebpd and Csf3r are downregulated in lupus mice. The data are indicative of a differentiation arrest and disturbed myelopoiesis. Despite the differentiation arrest, frequencies of BM neutrophils were markedly increased in diseased mice suggesting an alternative granulopoiesis pathway. In humans, hematopoietic progenitors were defined and isolated as CD34+ BM cells. In SLE patients with severe disease pattern, CD34+ demonstrated enhanced proliferation, cell differentiation and transcriptional activation of cytokines and chemokines that drive differentiation towards myelopoiesis thus mirroring the murine data. Comparative analysis of human and murine transcriptional profiles revealed that murine CMP and human CD34+ cells shared an attenuated myeloid signature consistent with a differentiation arrest. Collectively, these data demonstrate priming of HSPCs and aberrant regulation of myelopoiesis in SLE, potentially contributing to persistent inflammation and risk for flare. The data point out the crucial role of BM homeostasis in SLE pathogenesis therefore the construction of in vitro BM simulating system is emerging. This system will provide easily further mechanistic and functional investigation with fewer samples from animal models and human samples.

Ο Συστηματικός Ερυθηματώδης Λύκος (ΣΕΛ) είναι μία πρωτότυπη αυτοάνοση νόσος που επηρεάζει κυρίως τις γυναίκες και τυπικά έχει εκδηλώσεις σε πολλά όργανα, συμπεριλαμβανομένων του δέρματος, των αρθρώσεων, των νεφρών και του νευρικού συστήματος. Είναι μία πολύπλοκη ασθένεια που προκύπτει από την αλληλεπίδραση κληρονομικών (γενετικών και επιγενετικών), ορμονικών και περιβαλλοντικών παραγόντων. Τα ανοσοσυμπλέγματα, τα αυτοαντισώματα και όλα τα κύτταρα του αίματος (αυτο-δραστικά λεμφοκύτταρα, δενδριτικά κύτταρα) εμπλέκονται σε κλινικές εκδηλώσεις. Τα Αιμοποιητικά Στελεχιαία και Προγονικά Κύτταρα (ΑΣΠΚ) είναι πολυδύναμα κύτταρα που παράγουν όλα τα κύτταρα του αίματος, τόσο μυελικά όσο και λεμφικά. Θεωρήσαμε, λοιπόν, ότι οι ανωμαλίες των κυττάρων του ανοσοποιητικού συστήματος που παρατηρούνται στον ΣΕΛ θα μπορούσαν να εντοπιστούν στα ΑΣΠΚ. Σκοπός της μελέτης ήταν να διερευνηθεί περαιτέρω ο ρόλος και η λειτουργία των ΑΣΠΚ που προέρχονται από των μυελό των οστών στον ΣΕΛ. Σε αυτήν την εργασία, χρησιμοποιήθηκαν δείγματα μυελού των οστών (ΜΟ) από θηλυκά NBZW/F1 ζωικά πρότυπα λύκου και αντίστοιχα υγιή πειραματόζωα. Τα ΑΣΠΚ ορίστηκαν ως Lin-Sca-1+c-Kit+ (LSK). Η μεταγραφική ανάλυση των ΑΣΠΚ από πειραματόζωα με ΣΕΛ έδειξε ισχυρή μυελική υπογραφή συνοδευόμενη από αυξημένη συχνότητα μυελικών προγονικών κυττάρων (CMPs) –αλλά όχι λεμφικών προγονικών κυττάρων (CLPs)- γεγονός που θυμίζει την υπογραφή «ανοσολογική εκπαίδευση». Το μεταγραφικό προφίλ των μυελικών προγονικών κυττάρων αποκάλυψε έντονο επαναπρογραμματισμό με καταστολή των ρυθμιστών της δημιουργίας κοκκιοκυττάρων, καθώς μείζονες ρυθμιστές όπως οι Cebpe, Cebpd και Csf3r βρέθηκαν να υποεκφράζονται στο ΣΕΛ. Τα δεδομένα είναι ενδεικτικά αναστολής της διαφοροποίησης και διαταραχής της μυελοποίησης. Παρά ταύτα, τα ουδετερόφιλα στον ΜΟ βρέθηκαν σε αυξημένη συχνότητα στα πειραματόζωα με ΣΕΛ το οποίο υποδηλώνει ότι υπάρχει εναλλακτική οδός για τη δημιουργία κοκκιοκυττάρων. Στους ανθρώπους, τα ΑΣΠΚ ορίστηκαν και απομονώθηκαν από δείγματα ΜΟ με βάση τον δείκτη CD34. ΑΣΠΚ από ασθενείς με σοβαρή μορφή ΣΕΛ εμφάνισαν αυξημένο πολλαπλασιασμό, διαφοροποίηση και μεταγραφική ενεργοποίηση των κυτοκινών και χημειοκινών που οδηγούν στη διαφοροποίηση προς μυελική σειρά, αντικατοπτρίζοντας έτσι τα δεδομένων των μυών. Συγκριτική ανάλυση του ανθρώπινου μεταγραφικού προφίλ των ΑΣΠΚ με των πειραματοζώων, έδειξε ότι τα μυελικά προγονικά κύτταρα ποντικού και τα ανθρώπινα CD34+ κύτταρα μοιράζονται την ίδια μυελική υπογραφή που υποδηλώνει αναστολή της διαφοροποίησης. Συνολικά, τα δεδομένα αποδεικνύουν την ενεργοποίηση των ΑΣΠΚ και την παθολογική διαφοροποίηση προς την μυελική σειρά στο ΣΕΛ, συμβάλλοντας ενδεχομένως στην διαιώνιση της φλεγμονής και σε ενδεχόμενη έξαρση της νόσου. Τα δεδομένα επιβεβαιώνουν το κρίσιμο ρόλο της ομοιόστασης στο ΜΟ για την παθογένεια του ΣΕΛ και αναδεικνύεται η ανάγκη για κατασκευή ενός συστήματος προσομοίωσης του ΜΟ in vitro. Το σύστημα αυτό θα παρέχει τη δυνατότητα για περαιτέρω μηχανιστική και λειτουργική διερεύνηση με τη χρήση λιγότερων δειγμάτων από ζωικά πρότυπα και ανθρώπους.