The endothelial oxygen sensor PHD2 as a central regulator of hematopoietic system and its niche

Hintergrund: Endothelzellen spielen sowohl in Homöostase als auch in Stresssituationen eine wesentliche Rolle bei der Regulation und der Erhaltung der hämatopoetischen Stammzellen (HSC). Viele Zytokine und Wachstumsfaktoren werden für die natürliche HSC-Aktivität benötigt und von den Endothelzellen exprimiert. Neben der Unterstützung der hämatopoetischen Stammzellaktivität stellen Endothelzellen ein Gefäßversorgungsnetzwerk zur Verfügung, um eine ausreichende Sauerstoffversorgung zu gewährleisten. Fragestellung: In der hier vorgestellten Arbeit habe ich die Hypothese verfolgt, dass eine Veränderung der Sauerstoffsensorik in Endothelzellen eine Modifizierung der Aktivität hämatopoetischer Stammzellen ermöglicht. Material und Methoden: Trotz des Wissens um die Bedeutung von Sauerstoff für die Endothelzellen fehlt uns das Verständnis dafür, wie die Sauerstoffsensorik der Endothelzellen die lokalen Knochenmark-Nischenzellen und die HSCs reguliert. Um einen Einblick in diesen Mechanismus zu erhalten, haben wir ein Mausmodell mit einem endothelzellenspezifischen Knockout des zentralen Sauerstoffsensors PHD2 entwickelt. Mit diesem in vivo-Ansatz habe ich versucht, den Einfluss von Veränderungen der Hypoxie-Signalwegproteine in Endothelzellen auf HSCs und ihre Nische zu untersuchen. Ergebnisse: Ich konnte in der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die Morphologie der sinusförmigen Endothelzellen des Knochenmarks nach Verlust von PHD2 verändert ist. Außerdem konnte ich eine ausgeprägte Gefäßvasodilatation, begleitet von reduzierten hypoxischen Bereichen im angrenzenden Knochenmark beobachten. Zudem stellte ich fest, dass die Inaktivierung von PHD2 in Endothelzellen zu einem Rückgang des Knochenvolumens und zu einer Verminderung der an das Endothel angrenzenden Perizyten führt. Auffallend ist, dass sich gravierende Unterschiede in den hämatopoetischen Zellen der Peripherie zeigten, insbesondere war ein deutlicher Anstieg der zirkulierenden Leukozyten bei den KO-Mäusen zu erkennen. Dieser Phänotyp ist mit einer Vermehrung der hämatopoetischen Stamm- und Vorläuferzellen in Knochenmark und Milz verbunden. Darüber hinaus konnte ich zeigen dass die B-Zelldifferenzierung in der Milz vollständig zum Erliegen kommt, was zu einem signifikanten Rückgang der B-Zellen in der Marginalzone führt. Um die Funktionalität von Endothelzellen mit deletiertem PHD2 zu beurteilen, habe ich die Mäuse mit einer nicht-tödlichen Dosis ionisierender Strahlung behandelt. Die Analyse der endothelialen Zellregeneration im KO-Knochenmark zeigte eine Verminderung der Gefäßneubildung ohne Einfluss auf das gesamte Gefäßlumen im Vergleich zu unbehandelten Wurfgeschwistern. Außerdem stellte ich fest, dass sich in den ersten 3 Wochen nach der Bestrahlung bei Mäusen mit fehlendem PHD2 auf der Endothelzellenoberfläche das RBC-Kompartiments schneller regeneriert. Ich konnte ausschließen, dass dieser Effekt auf eine erhöhte Produktion von RBCs zurückzuführen ist, was zu der Hypothese führte, dass eine Verminderung des endothelialen PHD2 entweder zu einem längerfristigen Überleben der RBCs oder zu einer beeinträchtigten RBC-Clearance führt. Zusätzlich habe ich einen Anstieg in der Anzahl der quieszenten hämatopoetischen Vorläuferzellen bei Mäusen mit endothelialer PHD2-Deletion beobachtet, was darauf hindeutet, dass das endotheliale PHD2 Downstream-Signaling den Zellzyklus von hämatopoetischen Vorläuferzellen bei myeloablativen Stress beeinflusst. Abschließend konnte ich zeigen, dass ein Großteil der beobachteten Phänotypen bei KO-Mäusen durch den nachgeschalteten Transkriptionsfaktor HIF-2α vermittelt wird. Die Verwendung meiner selbstgenerierten Doppel-Knockout-Mauslinie, bei der erstmalig gleichzeitig PHD2 und HIF-2 in den Endothelzellen deletiert sind, führte zu eine vollständige Umkehrung des hämatopoetischen Phänotyps der bei den PHD2-Knockout-Mäusen im Steady-State beobachtet wurde. Zusätzlich wird der zuvor beobachtete signifikante Anstieg der Lymphozyten und der Rückgang der Erythrozyten- und Thrombozytenzahl in den Doppel-Knockout-Mäusen genetisch wiederhergestellt. Gleichzeitig reduziert sich die Entwicklung der marginalen B-Zellen im stationären Zustand wieder auf das Wildtyp-Niveau. Des Weiteren habe ich nach der Bestrahlung von Mäusen mit ionisierender Strahlung keine signifikanten Unterschiede zwischen WT und KO in ihrer hämatopoetischen Zellregeneration mehr feststellen können. Schlussfolgerungen: Zusammengenommen konnte ich in meiner Dissertation neue Eigenschaften von Hypoxie-Pathway-Proteinen in Endothelzellen mit Einfluss auf hämatopoetische Stamm- und Vorläuferzellen sowie auf verschiedene Kompartimente ihrer Nische demonstrieren; sowohl im stationären Zustand als auch nach Belastung durch Bestrahlung. Abschließend unterstreicht meine Arbeit die entscheidende Bedeutung der Sauerstoffsensorik im Knochenmark und gibt neue Einblicke in das Zusammenspiel zwischen dem Knochenmark-Endothel und dem hämatopoetischen System.:1 Introduction 1.1 Oxygen is necessary for survival of multicellular organisms 1.2 Oxygen sensing is necessary for induction of rapid cellular response 1.3 Endothelial and hematopoietic tissues together deliver oxygen 1.4 Hematopoietic stem cells give rise to blood cells 1.5 Regulation of HSCs is dependent on cells of the hematopoietic niche 1.6 Types of HSC regulation 1.7 Cancer therapy affects all highly proliferating cells 1.8 Irradiation stress disrupts hematopoietic stem cell niche signaling 1.9 Hypoxia induced signaling during recovery after irradiation 2 Aims of the thesis Aim 1: Determination of the role of endothelial PHD2 on the signaling towards the hematopoietic stem cells and its niche. 3 Materials and methods 3.1 Mice. 3.2 Histology, immunohistochemistry and immunofluorescence staining 3.2.1 Tissue processing prior to staining: 3.2.2 Staining: 3.3 Endothelial cell sorting 3.4 Mature hematopoietic cell isolation 3.5 Expression analysis 3.6 Hypoxyprobe 3.7 Quantitative image analysis 3.8 Bone structure analysis 3.9 Blood analysis 3.10 FACS analysis 3.11 Cell cycle analysis 3.12 RBC transfusion 3.13 Statistics. 4 Results 4.1 Determination of the role of endothelial PHD2 on the signaling towards the hematopoietic stem cells and its niche 4.1.1 Validation of the Flk1:cre line endothelial cell targeting 4.1.2 Characterization of the endothelial cell morphology and vessel function upon PHD2 inactivation 4.1.3 Loss of endothelial PHD2 leads to a decrease in bone marrow niche 4.1.4 Loss of PHD2 in endothelial cells leads to alterations of hematopoietic cells in the periphery 4.1.5 Significant increase of white blood cells in the periphery upon loss of endothelial PHD2 4.1.6 Loss of endothelial PHD2 does not impact the hematopoietic stem cells in the bone marrow. 4.1.7 Loss of PHD2 leads to increase in hematopoietic stem cells in the spleen 4.1.8 Loss of endothelial PHD2 impacts lineage-committed progenitors in bone marrow and the spleen 4.1.9 Loss of PHD2 in endothelial cells leads to an increase in frequency and activity of myeloid progenitors in bone marrow and the spleen 4.1.10 Loss of endothelial PHD2 impacts lymphocyte progenitors in secondary lymphatic organs but not in the bone marrow 4.2 Defining the impact of radiation exposure on the recovery of PHD2-deficient endothelial cells and its hematopoietic compartment. 4.2.1 Characterization of the non-lethal ionizing radiation damage to bone marrow endothelial and hematopoietic recovery 4.2.2 Loss of PHD2 from endothelium impacts endothelial recovery after myeloablative assault 4.2.3 Loss of PHD2 in endothelial cells and its subsequent effect on hematopoietic recovery following ionizing radiation exposure 4.2.4 Mechanism of increased RBC numbers is not due to an increase in hematopoietic stem cell frequency or activity in bone marrow or the spleen, 2 weeks after irradiation 4.3 Characterization of the influence of the transcription factor HIF-2α in mice lacking EC PHD2 4.3.1 The molecular signal transduction upon PHD2 inactivation is mediated by the HIF-2 transcription factor. 4.3.2 Loss of PHD2 and HIF-2α from endothelial cells partially rescues alterations in bone marrow endothelial cell morphology 4.3.3 Simultaneous loss of PHD2 and HIF-2α in endothelial cells completely reverses the hematopoietic phenotype observed in KO mice. 4.3.4 HIF-2α transcription factor induce signaling on endothelial cells that leads to marginal zone B cell impairment 4.3.5 Loss of PHD2 and subsequent stabilization of the HIF-2αtranscription factor is responsible for the increased recovery of RBCs following ionizing radiation 5 Discussion 6 References 7 List of abbreviations 8 Abstract 9 Zussamenfassung 10 Acknowledgements 11 DeklarationsBackground: Endothelial cells have an essential role in hematopoietic stem cell (HSC) regulation and maintenance during homeostasis and stress. Many cytokines and growth factors are required for normal HSC activity and are expressed by the endothelial cells. Along the support of hematopoietic stem cell activity, endothelial cells provide vessel delivery network to ensure proper oxygen delivery. Despite the importance of oxygen on endothelial cells, we lack the understanding of how oxygen sensing in endothelial cells regulates the local bone marrow niche cells and HSCs. Hypothesis: I have hypothesized that by modulating oxygen sensor in endothelial cells I will be able to modify the activity of hematopoietic stem cells Material and methods: To gain insight into this system, we developed a mouse model with an endothelial cell-specific knockout of the central oxygen sensor PHD2. Using this in vivo approach I sought to determine the impact of changes in hypoxia pathway proteins in endothelial cells on HSCs and their niche. Results: First, I revealed that the morphology of bone marrow sinusoidal endothelial cells is altered upon loss of PHD2. I observed prominent vessel vasodilation accompanied by reduced hypoxic areas in their adjacent marrow. Moreover, I determined that inactivation of PHD2 in endothelial cells led to a decrease in bone volume and pericytes adjacent to endothelium. Remarkably, I observed profound differences in the hematopoietic cells of the periphery. Specifically, I observed a profound increase in circulating leukocytes of KO mice. This phenotype was related to an increase in hematopoietic stem and progenitor cells in bone marrow and spleen. Moreover, I found a complete impairment of B cell differentiation in the spleen, which consequently led to a profound decrease in marginal zone B cells. To assess the functionality of endothelial cells lacking PHD2, I subjected the mice to a non-lethal dose of ionizing radiation. Analysis of endothelial cell recovery in KO bone marrow revealed a decrease in the formation of new vessels without an impact on the overall vascular lumen compared to WT littermates. Similarly, I found an enhanced recovery of the RBC compartment during the first 3 weeks after irradiation in mice lacking PHD2 on endothelial cells. I excluded the possibility that this effect was due to an increased RBC production, which led to hypothesis that inhibition of endothelial PHD2 results in prolonged RBC survival or impaired RBC clearance. Additionally, I observed an increase in quiescent hematopoietic progenitors cells in mice lacking PHD2 in endothelial cells that implies that endothelial PHD2 downstream signaling impact cycling of hematopoietic progenitors upon myeloablative stress. Finally, I demonstrated that a majority of the observed phenotypes in KO mice are mediated by the downstream HIF-2α transcription factor. Using my unique self-made double knockout mouse line simultaneously lacking PHD2 and HIF-2 in their endothelial cells, I was able to reveal a reversal of the hematopoietic phenotypes observed in the single PHD2 knockout mice during steady state. Additionally, the previously observed significant increase in lymphocyte and decrease in erythrocyte and thrombocyte numbers was genetically rescued in double knockout mice. Similarly, marginal zone B cell development returned to wild-type levels during steady state. Moreover, after subjecting mice to ionizing radiation I did not observe any significant differences between WT and KO in their hematopoietic cell recovery. Conclusions: Taken together, during my thesis I was able to demonstrate novel properties of hypoxia pathway proteins in endothelial cells having an impact on hematopoietic stem and progenitor cells as well as different compartments of their niche; both during steady state and radiation stress. In conclusion, my work underscores the critical importance of oxygen sensor signaling in the bone/bone marrow and provides new insight into the interplay between the bone marrow endothelium and the hematopoietic system.:1 Introduction 1.1 Oxygen is necessary for survival of multicellular organisms 1.2 Oxygen sensing is necessary for induction of rapid cellular response 1.3 Endothelial and hematopoietic tissues together deliver oxygen 1.4 Hematopoietic stem cells give rise to blood cells 1.5 Regulation of HSCs is dependent on cells of the hematopoietic niche 1.6 Types of HSC regulation 1.7 Cancer therapy affects all highly proliferating cells 1.8 Irradiation stress disrupts hematopoietic stem cell niche signaling 1.9 Hypoxia induced signaling during recovery after irradiation 2 Aims of the thesis Aim 1: Determination of the role of endothelial PHD2 on the signaling towards the hematopoietic stem cells and its niche. 3 Materials and methods 3.1 Mice. 3.2 Histology, immunohistochemistry and immunofluorescence staining 3.2.1 Tissue processing prior to staining: 3.2.2 Staining: 3.3 Endothelial cell sorting 3.4 Mature hematopoietic cell isolation 3.5 Expression analysis 3.6 Hypoxyprobe 3.7 Quantitative image analysis 3.8 Bone structure analysis 3.9 Blood analysis 3.10 FACS analysis 3.11 Cell cycle analysis 3.12 RBC transfusion 3.13 Statistics. 4 Results 4.1 Determination of the role of endothelial PHD2 on the signaling towards the hematopoietic stem cells and its niche 4.1.1 Validation of the Flk1:cre line endothelial cell targeting 4.1.2 Characterization of the endothelial cell morphology and vessel function upon PHD2 inactivation 4.1.3 Loss of endothelial PHD2 leads to a decrease in bone marrow niche 4.1.4 Loss of PHD2 in endothelial cells leads to alterations of hematopoietic cells in the periphery 4.1.5 Significant increase of white blood cells in the periphery upon loss of endothelial PHD2 4.1.6 Loss of endothelial PHD2 does not impact the hematopoietic stem cells in the bone marrow. 4.1.7 Loss of PHD2 leads to increase in hematopoietic stem cells in the spleen 4.1.8 Loss of endothelial PHD2 impacts lineage-committed progenitors in bone marrow and the spleen 4.1.9 Loss of PHD2 in endothelial cells leads to an increase in frequency and activity of myeloid progenitors in bone marrow and the spleen 4.1.10 Loss of endothelial PHD2 impacts lymphocyte progenitors in secondary lymphatic organs but not in the bone marrow 4.2 Defining the impact of radiation exposure on the recovery of PHD2-deficient endothelial cells and its hematopoietic compartment. 4.2.1 Characterization of the non-lethal ionizing radiation damage to bone marrow endothelial and hematopoietic recovery 4.2.2 Loss of PHD2 from endothelium impacts endothelial recovery after myeloablative assault 4.2.3 Loss of PHD2 in endothelial cells and its subsequent effect on hematopoietic recovery following ionizing radiation exposure 4.2.4 Mechanism of increased RBC numbers is not due to an increase in hematopoietic stem cell frequency or activity in bone marrow or the spleen, 2 weeks after irradiation 4.3 Characterization of the influence of the transcription factor HIF-2α in mice lacking EC PHD2 4.3.1 The molecular signal transduction upon PHD2 inactivation is mediated by the HIF-2 transcription factor. 4.3.2 Loss of PHD2 and HIF-2α from endothelial cells partially rescues alterations in bone marrow endothelial cell morphology 4.3.3 Simultaneous loss of PHD2 and HIF-2α in endothelial cells completely reverses the hematopoietic phenotype observed in KO mice. 4.3.4 HIF-2α transcription factor induce signaling on endothelial cells that leads to marginal zone B cell impairment 4.3.5 Loss of PHD2 and subsequent stabilization of the HIF-2αtranscription factor is responsible for the increased recovery of RBCs following ionizing radiation 5 Discussion 6 References 7 List of abbreviations 8 Abstract 9 Zussamenfassung 10 Acknowledgements 11 Deklaration