Propriétés des cellules souches hématopoïétiques

Le système hématopoïétique est depuis longtemps un modèle privilégié pour étudier et comprendre la biologie des cellules souches. Ce système dont les cellules matures ont pour l’ensemble une durée de vie très limitée repose sur l’existence de cellules souches hématopoïétiques CSH capables de renouveler les progéniteurs multipotents et les précurseurs à la base des différents lignages immunitaires. Elles possèdent la propriété unique de subir des divisions asymétriques qui permettent de produire au cours

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Figure 29 : Signalisation et dynamique mitochondriale dans l’immunité innée

A la membrane mitochondriale externe, MAVS interagit avec MFN1 et MFN2. MFN2 est un inhibiteur direct de MAVS. L’activation RLR induit l’oligomérisation de MAVS qui recrute TRAF3 et d’autres E3-ubiquitine ligases. TANK et NEMO sont alors recrutés et activent TKB1 permettant la phosphorylation d’IRF3. En même temps MFN1 conduit à la redistribution de MAVS sur la mitochondrie et la fusion du réseau mitochondrial aide l’interaction entre MAVS et STING. Un faible potentiel mitochondrial ou des ROS diminués inhibent la signalisation MAVS. D’autre part, lors de l’induction des ROS mitochondriaux, NLRP3 relocalise au niveau des jonctions RE/mitochondrie avec ASC et la caspase 1. Lors de la stimulation TLR1/2/4, TRAF6 transloque à la mitochondrie et interagit avec ECSIT pour produire des ROS. NLRX1 est internalisé dans la matrice mitochondriale où il interagit avec UQCRC2, une sous-unité du complexe III de la chaine respiratoire. IRGM se lie au cardiolipide mitochondrial régulant ainsi l’autophagie et la fission mitochondriale.

d’une division cellulaire à la fois une CSH et une cellule en voie de différenciation. Ces cellules dérivent originellement d’un progéniteur commun, l’hémangioblaste, qui donne naissance aux cellules endothéliales et aux CSH (162). Chez les mammifères adultes, les CSH résident dans la moelle osseuse et représentent une population très rare. Dans le développement embryonnaire, elles sont retrouvées successivement dans le sac vitellin, la région aorte-gonade-mésonéphros, le placenta et le foie. Ces changements de compartiments hématopoïétiques pourraient permettre de favoriser le développement de CSH indifférenciées dans un organe pendant que des cellules matures sont générés dans un autre organe. Le site d’hématopoïèse adulte n’est pas forcément la moelle osseuse chez les vertébrés comme en témoignent le poisson et la grenouille par exemple qui utilisent respectivement le rein et le foie pour cette fonction (161). Les raisons d’une implantation des CSH variable d’une espèce à l’autre et d’un stade développemental à l’autre restent assez mal connues. Mais le microenvironnement dans lequel elles se trouvent, aussi appelé la niche, joue indubitablement un rôle dans la régulation de l’équilibre entre différenciation et auto-renouvellement de ces cellules. Les propriétés de la CSH permettent de la classer en un état de cellule proliférante ou de cellule quiescente (210). Ce dernier état est classiquement perçu comme un mécanisme de protection du matériel génétique porté par la CSH et du pool de CSH de l’organisme. Il est en effet crucial de conserver ces cellules autant que possible à l’abri des stress résultant d’une prolifération excessive puisqu’elles sont à l’origine de toutes les autres cellules hématopoïétiques. Les CSH embryonnaires sont très différentes des CSH adultes notamment sur cette question de la quiescence car elles sont majoritairement proliférantes et subissent même des divisions symétriques produisant deux CSH à partir d’une CSH. Chez l’adulte par contre, il a pu être estimé que les CSH sont à 70% quiescentes quand seuls 10% des progéniteurs multipotents MPP le sont. Des stratégies de modélisation mathématique et de suivi de cellules marquées au BrdU ont établi que le stock de CSH murines était constitué à 30% d’une population inerte se divisant une fois tous les 145 à 193 jours et à 70% d’une population homéostatique ou activée se divisant une fois tous les 28 à 36 jours (168). Un autre étude a pu montré que les souris possédaient des CSH quiescentes ne se divisant pas une seule fois en 14 semaines et des CSH proliférantes se divisant 4 à 7 fois en 7 semaines. D’une manière générale, les CSH faiblement proliférantes correspondent à des cellules dotées d’une capacité de reconstitution à long terme évaluables lors de transfert de cellules sur souris irradiées. Elles sont nommées LT-HSC pour long-term hematopoietic stem cells. Les CSH proliférantes actives dites ST-HSC pour short-term et les progéniteurs multipotents n’ont qu’une capacité de reconstitution à court terme, soit 3-4 mois. Les LT-HSC ont une capacité d’expulsion de drogue élevée grâce à l’expression conséquente de transporteurs ATP dépendants. Cela les protège de composés externes toxiques (168).

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2.3.2. HIF-1α

Grâce notamment à l’avancée des techniques d’imagerie in vivo et des systèmes rapporteurs, nous avons aujourd’hui une meilleure connaissance de la localisation des cellules souches hématopoïétiques dans la moelle osseuse et donc de leur microenvironnement. Les cellules voisines des CSH et progéniteurs dans la moelle comptent de nombreux types tels que les ostéoblastes, les cellules endothéliales, les adipocytes, les macrophages et des éléments du système nerveux sympathique. Le destin de chaque CSH est bien entendu influencé par ces interactions proches mais aussi par des acteurs plus distants comme les oscillations circadiennes du système nerveux central. On trouve les CSH essentiellement dans deux niches, l’une endostéale et l’autre vasculaire (162). La première située au contact de l’os serait le lieu privilégié des cellules quiescentes et participerait activement au maintien de cet état tandis que la seconde constituée de vaisseaux fenêtrés accueillerait préférentiellement les CSH en prolifération et différenciation. La niche endostéale est une zone de la moelle osseuse faiblement perfusée où la pression en oxygène est très faible : c’est donc une zone d’hypoxie (211). Plusieurs données expérimentales soutiennent cette hypothèse de CSH en hypoxie. L’administration d’un marqueur de perfusion à des souris atteste que les CSH sont plus nombreuses au niveau d’une zone faiblement perfusée de la moelle osseuse. Le pimonidazole, sonde fluorescente réagissant avec les groupements thiols des protéines uniquement en conditions hypoxiques, s’accumule plus dans les CSH et notamment les LT-CSH. Enfin, le traitement de souris par la tirapazamine, toxine sélective des cellules hypoxiques, conduit à l’élimination des CSH in vivo (145). En accord avec ces observations, il a été montré que les CSH conservent mieux leur capacité de transplantation lorsqu’elles sont cultivées en conditions hypoxiques et ce statut corrèle d’ailleurs avec leur capacité augmentée d’efflux de drogues (168).

L’hypoxie des CSH est associée au facteur d’hypoxie HIF-1 dont l’ARNm et la protéine sont plus exprimés dans les LT-HSC. L’étude des souris déficientes en HIF-1α a révélé l’incapacité de leurs CSH à reconstituer la moelle d’un animal receveur irradié dans le contexte de transplantation (145). Les LT-HSC de ces souris sortent en fait de quiescence et se mettent en prolifération, ce qui les rend aussi plus sensibles à des situations de stress comme lors d’un épuisement du système hématopoïétique induit par traitement au 5-fluorouracil. A l’inverse, le gain de fonction d’HIF-1α par délétion du gène VHL, régulateur de l’élimination de HIF, conserve les LT-HSC en quiescence mais aussi les progéniteurs qui devaient proliférer (145). Ces données suggèrent un taux d’HIF finement régulé dans les CSH, qui ne doit être ni excessif ni insuffisant. Des facteurs régulateurs d’HIF-1α ont d’ailleurs été identifiés comme régulateurs majeurs du métabolisme de la CSH : c’est le cas de MEIS1 ou de CITED2 qui activent transcriptionnellement HIF-1 (211). Comme nous l’avions mentionné dans le chapitre 2, HIF-1 est reconnu pour induire une transition métabolique de la phosphorylation oxydative à la glycolyse anaérobie par une activation transcriptionnelle des gènes codant des transporteurs du glucose comme

GLUT1, des enzymes glycolytiques comme la lactate déshydrogénase LDH, la protéine GRP78 et son ligand Cripto ou des enzymes régulant le métabolisme comme les pyruvate déshydrogénase kinases PDK. Ces dernières inhibent les pyruvates déshydrogénases génératrices d’acétyl-CoA afin de ralentir le métabolisme mitochondrial (145). Elles permettraient notamment l’augmentation de la capacité glycolytique des LT-HSC. Cette fonction est cruciale pour le maintien de quiescence des LT-HSC comme l’a montré une étude d’invalidation de PDK2 et PDK4 chez la souris (212). Dans les CSH de ces souris, la respiration mitochondriale remplace la glycolyse anaérobie et précipite le pool de CSH vers son épuisement. Ainsi, l’activation d’une glycolyse indépendante de la mitochondrie constitue un point de contrôle clé dans la régulation des fonctions de la CSH, d’un statut de quiescence vers un statut prolifératif. C’est pourquoi le métabolisme énergétique et particulièrement mitochondrial a été dernièrement l’objet de plusieurs études s’intéressant aux CSH.