L’expansion des cellules souches hématopoïétiques ex vivo représente une option des plus intéressante afin d’améliorer les greffes de moelle osseuse. Le facteur de transcription HOXB4 semble être le candidat ayant le plus de potentiel jusqu’à présent. Cependant, la très courte demi-vie de la protéine représente un obstacle majeur dans l’élaboration de protocoles cliniques. Par contre, la substitution d’un acide aminé (3 mutations individuelles) dans la partie N-terminale de la protéine augmente de près de 3 fois la stabilité intracellulaire de HOXB4. Nous avons comparé l’activité biologique de ces mutants à celle de HOXB4 natif (« wt ») dans des essais in vitro et in vivo. Nous avons démontré que la surexpression de HOXB4 muté par infection des cellules souches hématopoïétiques n’affectait pas leur pouvoir de reconstitution hématopoïétique à long terme dans des souris transplantées. Par ailleurs, nous avons noté que dans les essais de reconstitution hématopoïétique en compétition et en non compétition, les cellules surexprimant les protéines mutées ont une expansion supérieure in vitro et reconstituent le sang et la rate avec une répartition de cellules lymphoïdes et myéloïdes plus près de souris non-transplantées comparativement aux cellules exprimant HOXB4 « wt ». De plus, les cellules surexprimant la protéine HOXB4 mutée apparaissent beaucoup plus rapidement et en plus grande proportion dans le sang comparativement aux cellules surexprimant la forme native. Une des protéines HOXB4 mutées (1426) ne permet pas l’expansion des progéniteurs myéloïdes immatures (CMP) contrairement à la protéine « wt ». Et finalement, par les études de modulation intracellulaire protéique, nous avons démontré que les comportements des protéines HOXB4 « wt » et mutées envers les cellules souches hématopoïétiques et progéniteurs n’étaient pas complètement dus à un effet de concentration protéique. / Ex vivo hematopoietic stem cell expansion represents a most appealing option to improve bone marrow transplantation. Utilization of the unique hematopoietic stem cell (HSC) expansion abilities of the transcription factor HOXB4 for clinical applications is hampered by its short intracellular half-life. To overcome this difficulty, 3 different single amino-acid substitution mutants of HOXB4 with 3-4 fold increased half-life were generated and their biologic activity compared to that of wild type (wt) HOXB4 using in vitro and in vivo assays. We have shown that overexpression of mutated HOXB4 in HSC using an infection strategy did not impair their long term hematopoietic reconstitution potential in transplanted mice. We have found that cells overexpressing mutant HOXB4 had greater expansion in vitro in competitive and non-competitive designs than wt HOXB4. Moreover, in vivo peripheral blood and spleen repopulation had lymphoid and myeloid contributions closer to untransplanted animals with mutant than wt HOXB4. In addition, cells overexpressing mutant HOXB4 protein were detected much more rapidly and in greater proportion in peripheral blood than cells overexpressing the wt form. One of the mutated HOXB4 proteins (1426) did not promote the expansion of common myeloid progenitors in comparison to wt HOXB4. Finally, using intracellular protein modulation studies, we have shown that the effects of mutated and wt HOXB4 proteins in hematopoietic stem and progenitor cells were not completely due to a HOXB4 concentration effect.

La greffe de cellules souches hématopoïétiques autologue est une thérapie de plus en plus utilisée. Cependant, les traitements de chimiothérapie ou de radiothérapie intensifs peuvent affecter les cellules souches et diminuer le nombre de ces cellules pouvant être mobilisées à des fins de transplantation. Il serait donc très utile de pouvoir expandre ces cellules souches afin de s’assurer qu’elles soient en quantité suffisante pour procéder à la greffe. Or, il a été démontré que la protéine HOXB4 a la capacité d’expandre les cellules souches hématopoïétiques humaines et murines. Lors d’une greffe autologue, la moelle osseuse est cependant colonisée par des cellules malignes. Notre objectif était donc de s’assurer que la protéine HOXB4 expand les cellules souches hématopoïétiques normales mais n’expand pas les cellules « souches » leucémiques. De plus, comme des expériences précédentes ont démontré que chez des souris transplantées avec des cellules souches surexprimant HOXB4, la reconstitution du système hématopoïétique pouvait favoriser les cellules myéloïdes aux dépends des cellules lymphoïdes, nous avons aussi voulu déterminer l’impact de HOXB4 sur la différenciation des cellules progénitrices lymphoïdes normales. Pour ce faire, nous avons exposé des cellules humaines et murines à la protéine HOXB4 afin de comparer la prolifération des cellules B malignes à celle des cellules B normales. De plus, nous avons évalué l’impact de HOXB4 sur les cellules B à leurs différents stades de différenciation. Nos résultats démontrent que HOXB4 ne favorise pas l’expansion des cellules leucémiques. De plus, nous avons observé que les cellules lymphoïdes surexprimant la protéine HOXB4 ont un ralentissement dans leur processus de différenciation. Aussi, la surexpression de HOXB4 entraîne une diminution de la fréquence et du nombre de progéniteurs lymphoïdes normaux. Ces résultats démontrent donc que la protéine HOXB4 ne produit pas d’expansion des cellules malignes. De plus, elle confère un désavantage prolifératif aux cellules lymphoïdes. / Transplantation of autologous hematopoietic stem cell is increasingly used. However, intensive chemotherapy or radiation therapy protocols can affect stem cells and decrease the number of these cells that can be mobilized for stem cell transplantation. There is therefore a need to create protocols for the expansion of these stem cells to increase their numbers sufficiently to proceed to transplantation. It has been demonstrated that the protein HOXB4 has the ability to expand human and murine hematopoietic stem cells. In the context of autologous transplantation, the bone marrow is often colonized by malignant cells. Our objective was to ensure that the protein HOXB4 expands normal hematopoietic stem cells but not leukemia "stem" cells. In addition, since previous experiments have shown that in mice transplanted with stem cells overexpressing HOXB4, hematopoietic reconstitution could favour myeloid cells over lymphoid cells, we determined the impact of HOXB4 on the differentiation of normal lymphoid progenitor cells. Toward this goal, we have exposed human and mouse leukemia cells to HOXB4 and compared the proliferation of malignant versus normal B cells. In addition, we have evaluated the impact of HOXB4 on the different stages of B cell differentiation. Our results show that HOXB4 does not favour leukemia cell expansion. In addition, we observed that lymphoid cells overexpressing HOXB4 are slowed in their differentiation process. Also, HOXB4 overexpression decreases the frequency and number of normal lymphoid progenitors. These results demonstrate that HOXB4 protein does not lead to malignant stem cell expansion. In addition, the HOXB4 protein confers a proliferative disadvantage to lymphoid cells.

Embryonic stem (ES) cells possess the remarkable ability to form cells and tissues from all three germ layers, a characteristic known as pluripotency. In particular, the generation of ES cell-derived hematopoietic cells could serve as an alternate source of hematopoietic stem cells for transplantation in place of bone marrow cells, which are limited by donor availability and high immunogenicity. The advantages of ES cell-derived hematopoietic cells over bone marrow cells include a greater proliferative capacity, which alleviates the problems of donor shortage, and low level expression of MHC antigens, which suggests immune privilege. However, it is unclear whether the immune system is capable of recognizing and rejecting ES cell-derived hematopoietic cells following transplantation. The observation that ES cell-derivatives express low levels of MHC class I, the predominant inhibitory ligand for NK cells, led us to hypothesize that ES cell-derived hematopoietic progenitor cells (HPC) are susceptible to NK cell-mediated killing. To test this hypothesis, we first generated HPCs from murine ES cells ectopically expressing HOXB4, a homeobox transcription factor that confers hematopoietic self-renewal, and confirmed that HPCs expressed low levels of MHC class I antigens. To specifically investigate the role of NK cells in regulating the in vivo engraftment of HPCs, we transplanted NK-replete Rag2-/- or NK-deficient Rag2-/-γc-/- mice with HPCs. We observed permanent HPC engraftment in Rag2-/-γc-/- mice; however, HPC engraftment was significantly reduced in Rag2-/- mice and was eventually eliminated over time. Bone marrow harvested from these animals showed that HPC-derived Lin-c-kit+ and Lin-Sca-1+ progenitor cells, critical progenitor cells for long-term hematopoietic engraftment, were deleted in Rag2-/- but not in Rag2-/-γc-/- mice. Next, we focused on the mechanism of NK cell activation by HPCs. Increased expression of the cytotoxic proteins Granzyme B and Perforin in the NK cells of HPC-transplanted Rag2-/- mice confirmed in vivo NK cell activation. Phenotypic analysis of HPCs revealed high level expression of H60, a ligand of the NK activating receptor NKG2D, and neutralization of H60 rescued HPCs from NK cell-mediated killing. Altogether, our results demonstrate that NK cells are a major barrier to the successful engraftment of ES cell-derived hematopoietic cells, underlining an important role of the innate immune system in regulating the long-term engraftment of ES cell derivatives.

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.

All-trans retinoic acid (atRA) mediated growth inhibition results in the arrest of the cell cycle during the G1 phase in CAOV3 cells but not SKOV3 ovarian carcinoma cells. The G1 checkpoint is regulated by a multitude of molecules such as the retinoblastoma family of proteins, cyclins, cyclin dependent kinases (CDKs) and cyclin dependent kinase inhibitors (CDKis). CAOV3 cells, which are atRA sensitive, have been shown to express p16INK4a (p16), a cyclin dependent kinase inhibitor regulating the G1 checkpoint. However, atRA resistant SKOV3 cells do not express p16. In these studies, we investigated the role of p16 in mediating atRA induced growth arrest. Our results show that overexpression of p16 in SKOV3 cells leads to growth inhibition following atRA treatment. However, the inhibition is short-term due to the loss of p16 expression. Nevertheless, these results show that p16 plays a role in atRA mediated growth inhibition in ovarian carcinoma cells and that modulation of p16 expression can determine the growth response to atRA. Additionally, we also examined the effect of atRA treatment on the expression of homeobox genes in the CAOV3 cells and SKOV3 cells model system. Homeobox genes comprise a family of transcription factors which function during embryonic development to control pattern formation, differentiation and proliferation. Besides their dominant role during embryogenesis, they are also expressed in adults. In human tumors, an association between the deregulation of the expression of homeobox genes and oncogenic transformation has been reported. It is known that some homeobox genes are atRA targets due to the presence of retinoic acid response element (RARE) either in their promoter region or in their 3' region. In these studies we examined the expression of 13 homeobox genes in CAOV3 cells and SKOV3 cells following ethanol or atRA treatment. The 13 homeobox genes were analyzed because previous studies done by our laboratory observed differences in expression of these homeobox genes when comparing atRA sensitive oral squamous carcinoma cells (SCC) to atRA resistant oral squamous cell carcinoma cells. Of the 13 homeobox genes analyzed in the ovarian carcinoma cell model system, we found HOXA1 and HOXB4 to be upregulated by atRA in CAOV3 cells but not in SKOV3 cells. We also found that the induction of HOXA1 and HOXB4 mRNA expression in CAOV3 cells occurred as a respond to atRA treatment and is not due to a generalized response because of overall growth reduction. Interestingly, HOXA1 has two alternatively spliced forms. The mRNA expression of the truncated form of HOXA1 is highly induced by atRA when compared to its full length form. HOXB1, which is HOXA1 target gene, was not upregulated following atRA treatment. These results suggest that: 1) expression of p16 plays a role in mediating atRA growth inhibition; 2) HOXA1 and HOXB4 also play a role in mediating growth suppression by atRA; and 3) the truncated form of HOXA1 is induced by atRA treatment and may play a role in mediating growth inhibition by atRA, perhaps by acting in a dominant negative fashion. / Microbiology and Immunology

La greffe de cellules souches hématopoïétiques est parfois le seul traitement efficace contre les cancers hématologiques ainsi que plusieurs autres désordres reliés au système hématopoïétique. La greffe autologue est souvent le traitement de choix pour les patients atteints de lymphome ou de myélome. Dans ce cas, les cellules souches hématopoïétiques (CSH) du patient sont récoltées et congelées. Le patient subit ensuite des traitements de chimiothérapie et/ou radiothérapie qui éliminent les cellules malignes, mais détruisent aussi son système hématopoïétique. Ce dernier sera ensuite reconstitué par la greffe de CSH. Ces traitements ont pour conséquence de plonger le patient en état d’aplasie pour une période variant de 2 à 4 semaines. La thrombocytopénie (faible taux de plaquettes) est une complication majeure nécessitant des transfusions plaquettaires répétées et associée à une augmentation de la mortalité hémorragique post-transplantation. Il serait particulièrement intéressant de développer une thérapie accélérant la reconstitution des mégacaryocytes (MK), ce qui aurait pour effet de raccourcir la période de thrombopénie et donc de diminuer les besoins transfusionnels en plaquettes et potentiellement augmenter la survie. HOXB4 est un facteur de transcription qui a déjà démontré sa capacité à expandre les CSH et les progéniteurs multipotents (CFU-GEMM) donnant naissance aux MK. Il est donc un bon candidat pour l’expansion des progéniteurs MK. Comme la protéine HoxB4 a par contre une courte demi-vie (~1.1h), des protéines HoxB4 de deuxième génération avec une plus grande stabilité intracellulaire ont été créées (1423 (HoxB4L7A), 1426 (HoxB4Y23A) et 1427 (HoxB4Y28A)). Nous avons donc étudié la capacité d’HoxB4 sauvage et de deuxième génération à expandre les CSH, ainsi que les MK donnant naissance aux plaquettes. La surexpression rétrovirale de ces protéines HoxB4Y23A et HoxB4Y28A conduit à une expansion des progéniteurs MK murins in vitro supérieure à HoxB4-wt, 1423 et au contrôle GFP. La reconstitution plaquettaire in vivo dans un modèle murin a ensuite été évaluée par des transplantations primaires et secondaires. Les résultats révèlent que la surexpression rétrovirale des différents HoxB4 n’apporte pas de bénéfice significatif à la reconstitution plaquettaire des souris. Lorsque cultivées dans un milieu favorisant la différenciation mégacaryocytaire, le traitement de cellules CD34+ dérivées du sang de cordon ombilical avec les protéines recombinantes TATHoxB4WT ou de seconde génération n’a pas augmenté la production plaquettaire. Par contre, de manière intéressante, les cellules CD34+ provenant de sang mobilisé de patients atteints de myélome et mises en culture dans un milieu favorisant l’expansion des CSH ont montré des différences significatives dans la différenciation des progéniteurs MK en présence de la protéine recombinante TATHoxB4. La protéine HOXB4 possède donc un avenir prometteur quant à une amélioration de l’état thrombocytopénique chez les patients. / Haematopoietic stem cell (HSC) transplantation is the most efficient treatment against a number of cancers or other disorders of the hematologic system. Prior to HSC transplantation, patients are exposed to high doses of radiotherapy and/or chemotherapy to eliminate malignant cells. However, these treatments result in a state of aplasia, particularly in thrombocytopenia, which is characterised by very low blood platelet counts. Platelets produced by megakaryocytes (MK) are essential components of the blood system and play a critical role in the prevention of bleeding. Thus a low platelet blood level is a major complication and contributes significantly to transplant related mortality. At present, regular infusion of platelets isolated from healthy donors is the treatment of choice for thrombocytopenia. However, this is cumbersome for patients as well as donors and, in many instances results in platelet refractoriness due to the generation of auto-antibodies against disparate HLA molecules expressed on donor platelets. Therefore, the development of strategies to accelerate MK production and thus platelet reconstitution post HSC transplant would represent a major advance. It has already been shown that HoxB4 expands HSC and multipotent progenitors (CFU-GEMM) that give rise to megakaryocytes (MK). Thus HoxB4 is a great candidate for in vitro MK progenitor expansion. However, the short half-life of HoxB4 protein prompted us to generate a second generation of HoxB4 proteins with greater intracellular stability. We therefore studied the capacity of wild type (WT) and HoxB4 with 3 substitutions (1423 (HoxB4L7A), 1426 (HoxB4Y23A) and 1427 (HoxB4Y28A) resulting in a longer protein half-life to expand HSC as well as MK progenitors. Retroviral-mediated expression of HoxB4Y23A and HoxB4Y28A proteins showed a greater expansion of murine MK progenitors, in comparison with HoxB4WT or HoxB4L7A proteins or GFP control. We also evaluated the ability of HSC expressing second generation HoxB4 to generate platelets in a murine model. Our results show that retroviral-mediated transduction of second generation HoxB4 in murine HSC does not provide a significant advantage over HoxB4WT in platelet reconstitution in mice. Interestingly, treatment of CD34+ cells derived from cord blood showed only marginal effect of HoxB4WT or second generation HoxB4 soluble recombinant proteins when cultured under conditions optimized for megakaryocyte differentiation. Unexpectedly, CD34+ cells derived from mobilized peripheral blood of myeloma patients showed a significant increase in MK progenitor differentiation in the presence of TAT-HoxB4WT when cultured in expansion medium for HSC. Thus, HoxB4 holds promise in autologous HSC transplantation for the treatment of thrombocytopenic patients.

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