Role of the mesenchymal niche in SP phenotype regulation of human hematopoietic progenitors

L’hématopoïèse est un processus finement régulé pour permettre sa pérennité et son adaptation aux contraintes physiologiques et pathologiques. Ce potentiel repose en grande partie sur les capacités de quiescence, auto-renouvellement, division asymétrique et multipotence des cellules souches hématopoïétiques (CSH). Les CSH et progéniteurs hématopoïétiques (CSPH) sont principalement régulés de façon extrinsèque au sein des niches hématopoïétiques médullaires et cette régulation fait intervenir, des contacts intercellulaires et des facteurs diffusibles. Le phénotype « side-population » (SP), secondaire à l’efflux actif d’un colorant fluorescent (Hoechst 33342) par des pompes de type multidrugresistance, est une caractéristique des cellules souches de la plupart des tissus. Au sein de l’hématopoïèse, le phénotype SP est un excellent moyen pour identifier les CSH murines et est associé à leur quiescence et à leur adhésion à la niche endostéale, mais sa valeur comme marqueur des CSH est plus discutée chez l’homme. Les cellules SP, de par leur nature, sont également étudiées en oncologie, et sont associées aux cellules tumorales les plus résistantes et les plus tumorogènes. La compréhension des mécanismes régulant la fonctionnalité SP devrait permettre d’ouvrir des pistes en physiologie quand à la compréhension de la régulation des CSPH par les niches mésenchymateuses et en pathologie pour cibler les mécanismes de chimiorésistance.Dans ce travail nous montrons pour la première fois chez l’homme que l’acquisition du phénotype SP est un phénomène dynamique et versatile sous le contrôle du stroma médullaire. Le stroma médullaire est en effet capable de maintenir le phénotype SP de CSPH médullaires et d’induire le phénotype SP de CSPH circulants. L’acquisition du phénotype SP par les cellules circulantes nécessite à la fois un « nichage » au sein du stroma et des facteurs diffusibles. Les cellules circulantes capables d’acquérir le phénotype SP contiennent des CSPH au regard de (i) leur expression du CD34, (ii) leur richesse en cellules quiescentes, (iii) leur capacité clonogénique et proliférative en cultures secondaires, (iv) leur expression des gènes de « nichage » et de « souchitude », (v) leur capacité de migration en réponse à un gradient de CXCL12, (vi) leur activité LT-SRC in vivo. De plus nous avons mis en évidence, au sein de ces CSPH SP+CD34+ révélés par le stroma médullaire, une sous-population CD44-/faible qui pourrait contenir les cellules plus immatures en raison de sa quiescence et de l’intensité de son efflux du Hoechst 33342. Les études mécanistiques montrent que l’acquisition du phénotype SP par les cellules circulantes est sous la dépendance de l’intégrine VLA-4 et du CD44. La transduction du signal implique des protéines G et la famille des Src-kinases. Nous montrons également que le stroma médullaire peut induire/maintenir/amplifier la fonctionnalité SP de blastes circulants de leucémie aigüe myéloblastique de façon ß1-intégrine dépendante et que cette fonctionnalité est associée à une capacité d’efflux de Mitoxantrone. Ce mécanisme de modulation de l’activité d’ABC-transporteurs par l’adhésion au stroma correspond à un mécanisme encore jamais décrit de CAM-DR.Hematopoiesis is a finely tuned process to allow its long-term efficiency and its adaptation to various physiological and pathological stresses. Hematopoietic stem cell (HSC) is the keystone of hematopoiesis through its multipotency, quiescence, asymmetrical division and self-renewing properties. HSC bone marrow (BM) niches mainly regulate hematopoietic stem and progenitor cells (HSPC) through intercellular contacts and diffusible factors. Side-population (SP) cells are characterized by their capability to actively efflux Hoechst 33342 dye through multidrug resistance-like pumps. SP phenotype is a characteristic of stem cells in many tissues and especially, it is a stringent criterion to purify murine HSCs. In mice, this phenotype has been demonstrated to be related to quiescence and resistance to drugs/environmental stresses and to be controlled by endosteal niche adhesion. SP cells are also studied in oncology and are associated to chemo-resistance and tumor initiating capacity. At steady state, SP cells are mainly present in the BM and are mostly absent from the circulation except in stress conditions, raising the hypothesis of the versatility of the SP functionality. Therefore, studying SP phenotype regulation is of importance to understand how BM niches regulate HSPC and how to interfere with cancer cells chemo-resistance.In this work, we demonstrate for the first time and in human that SP phenotype acquisition is a dynamic phenomenon under control of stromal BM cells. Stromal cells from healthy donors maintain SP phenotype of BM HSPC and promote SP phenotype acquisition in circulating ones. SP phenotype promotion depends of stroma nesting and of diffusible factors secretion. This stroma-induced circulating SP cell fraction contains HSPC, as ascertained by (i) CD34 expression, (ii) proportion of cells in G0, (iii) clonogenic and proliferative potential, (iv) nesting and “stemness” gene expression, (v) CXCL12-related migration capability and (vi) LT-SRC activity. Moreover, we describe an SP+CD34+CD44-/low sub-population that could contain most immature HSPCs with regards to their quiescence and Hoechst efflux intensity. Mechanistic studies show that the stoma-mediated SP promoting effect is VLA-4/4ß1-integrin and CD44 dependent, and implicate G-protein and Src-kinase pathways. We also demonstrate that BM stroma from healthy donors can induce/maintain/amplify in a ß1-integrin dependent manner an SP sub-population with mitoxantrone efflux capability in blast cells from acute myeloid leukemia. The existence of a similar mechanism in circulating leukemic blasts suggests the possibility to interfere with the chemo-resistant phenotype of blast cells through integrin/CD44 axis blockade