Nouveaux paradigmes sur la différenciation des cellules souches hématopoïétiques

Bien que le modèle classique se soit avéré très utile pour comprendre le processus de différenciation des CSH, il convient de noter que ce modèle présente certaines lacunes dans la mesure où il simplifie à l’excès la complexité des cellules souches et progénitrices hématopoïétiques (CSPH), et où il ne se base que sur les marqueurs de surface et la transplantation à l’aide de cellules en vrac. L’analyse des cellules en vrac suppose que chaque cellule, qui a le même phénotype, possède une fonction identique. Grâce aux progrès de la technologie de la cellule unique et des modèles génétiques de souris, ce modèle classique a été remis en question au cours des dernières années, notamment dans l’élucidation de la mégacaryopoïèse. En outre, de nouveaux types de HSPC ont été identifiés et largement étudiés en raison de leurs biais de lignage.

Hétérogénéité dans la sortie de lignage des CSH et débats sur la différenciation des mégacaryocytes

En utilisant l’analyse en dilution limitante et la transplantation de cellules uniques, les groupes Sieburg et Eaves ont défini des CSH à biais myéloïde (My-Bi), équilibrées (Ba) et à biais lymphoïde (Ly-Bi) sur la base du rapport entre les sorties de cellules myéloïdes et lymphoïdes (Muller-Sieburg et al…, 2002 ; Muller-Sieburg et al., 2004 ; Dykstra et al., 2007 ; Benz et al., 2012). (Fig. 2A et 2B). En outre, les CSH à polarisation plaquettaire ont également été signalées comme un sous-ensemble My-Bi résidant au sommet de la hiérarchie hématopoïétique (Sanjuan-Pla et al., 2013) (Fig. 2C). Les chercheurs reconnaissent depuis longtemps le concept de CSH-LT et de CSH-ST. Sur la base de la période de reconstitution, les CSH à moyen terme (CSHIT), qui se situent entre les CSH-LT et les CSH-T et contribuent à la reconstitution jusqu’à 8 mois après la transplantation, ont été utilisées dans plusieurs laboratoires (Benveniste et al., 2010 ; Yamamoto et al., 2013). En outre, Lu et al. ont suivi des CSH uniques in vivo en utilisant un code-barres génétique viral combiné à un séquençage à haut débit (Lu et al., 2011). Ils ont également révélé une hétérogénéité dans la population de CSH. Ils ont ainsi montré que les CSH ne contribuent pas de manière égale à la descendance et que deux schémas distincts de différenciation des CSH coexistent chez la même souris receveuse après irradiation. L’un des schémas de différenciation est constitué de populations de cellules progénitrices, notamment les GMP, les MEP et les CLP ; l’autre groupe est constitué de cellules sanguines lymphoïdes matures. De même, avec la transplantation d’une seule cellule, Yamamoto et al. ont observé que des progéniteurs auto-renouvelables limités à une lignée existent dans des CSH phénotypiquement définies, contenant des progéniteurs de repeuplement des mégacaryocytes (MkRPs), des progéniteurs de repeuplement des mégacaryocytes-érythrocytes (MERPs) et des progéniteurs de repeuplement des myéloïdes communs (CMRPs) (Yamamoto et al., 2013) (Fig. 2D). Cette étude suggère que des cellules oligo-, bi- et unipotentes coexistent dans les populations de CSH. De plus, les marqueurs CD150 et CD229 de la famille SLAM peuvent séparer les CSH en différentes fractions avec une capacité de reconstitution de la différenciation. Comparées aux CSH CD150med, les CSH CD150hi présentent un potentiel d’auto-renouvellement plus élevé avec une différenciation à tendance myéloïde (Morita et al., 2010). Les CSH CD229- ont un potentiel d’auto-renouvellement à long terme avec un potentiel myéloïde et forment toutes les autres populations de cellules souches et progénitrices, tandis que les CSH CD229+ semblent avoir une capacité d’auto-renouvellement moindre avec un potentiel lymphoïde (Oguro et al., 2013). Les analyses omiques unicellulaires (Moignard et al., 2013 ; Wilson et al., 2015 ; Nestorowa et al., 2016 ; Buenrostro et al, 2018 ; Laurenti et Gottgens, 2018 ; Jacobsen et Nerlov, 2019), notamment le séquençage de l’ARN unicellulaire (scRNA-seq) et l’analyse unicellulaire de la chromatine accessible par transposase au moyen du séquençage (scATAC-seq), ont encore mis en évidence la présence d’une hétérogénéité dans les populations de CSH les plus primitives.

L’origine des mégacaryocytes fait l’objet de débats depuis plusieurs années. Le groupe de Jacobsen a identifié des MPP à amorçage lymphoïde (LMPP) qui donnent naissance à des lignées granulocytes/macrophages et lymphoïdes mais pas à une lignée mégacaryocyte/érythrocyte (Adolfsson et al., 2005) (Fig. 2C). Cependant, des études de traçage de lignées remettent en cause cette opinion et suggèrent que les LMPP se différencient également en une lignée mégacaryocytaire/érythrocytaire (Forsberg et al., 2006 ; Boyer et al., 2011). Les différents résultats peuvent être attribués à la dose de cellules utilisée pour la transplantation et aux méthodes, y compris les modèles de souris, utilisées dans les différents laboratoires. Plus récemment, il a été suggéré que l’expression de l’ARNm du facteur de von Willebrand (vWF), un marqueur des mégacaryocytes, et du récepteur de surface c-Kit indique l’existence d’une sous-population de CSH multipotente, mais influencée par les plaquettes (Sanjuan-Pla et al., 2013 ; Shin et al., 2014). Le groupe de Jacobsen (Sanjuan-Pla et al., 2013) a fourni des preuves de l’existence d’une population de CSH basée sur les plaquettes. Ils ont découvert que 25 % des CSH de LT expriment le vWF et que les CSH vWF+ sont amorcées pour l’expression de gènes spécifiques aux plaquettes, avec une propension accrue à la reconstitution à long terme des plaquettes. Les CSH amorcées par les plaquettes vWF+ ont également une orientation myéloïde à long terme, peuvent s’auto-renouveler et peuvent donner naissance à des CSH à orientation lymphoïde vWF- (Fig. 2C). Par conséquent, les CSH amorcées par les plaquettes se situent au sommet de la hiérarchie hématopoïétique. De plus, sur la base d’expériences de transplantation de cellules uniques, l’existence de cellules limitées à la lignée mégacaryocytaire dans le compartiment phénotypique des CSH a été proposée (Yamamoto et al., 2013). Le test de transplantation de cellules filles par paire indique que les précurseurs des mégacaryocytes sont directement dérivés des CSH (Yamamoto et al., 2013) (Fig. 2D). Plus tard, une étude a rapporté que le compartiment des CSH contient des progéniteurs mégacaryocytaires engagés de type souche (SL-MkP), une population cellulaire qui partage de nombreuses caractéristiques avec les CSH (Haas et al., 2015). Cette population s’active lors d’un stress inflammatoire pour reconstituer efficacement les plaquettes. Un raccourci potentiel des CSH vers les mégacaryocytes a donc été suggéré dans des conditions inflammatoires (Haas et al., 2015). En outre, en suivant les progéniteurs et les cellules de lignées matures produites à partir de CSH uniques transplantées, un rapport récent du laboratoire de Jacobsen a montré qu’une classe distincte de CSH adopte un destin vers la reconstitution efficace et à long terme des mégacaryocytes/plaquettes sans reconstitution d’aucune autre lignée de cellules sanguines, alors qu’aucune CSH ne contribue exclusivement à une autre lignée unique de cellules sanguines (Carrelha et al, 2018).

Collectivement, les CSH et les mégacaryocytes partagent plusieurs caractéristiques, par exemple l’expression du récepteur de la thrombopoïétine (MPL), de CD150, de CXCR4 et de vWF, etc. (Wang et al., 1998 ; Sugiyama et al., 2006 ; Pronk et al., 2007 ; Yoshihara et al., 2007 ; Huang et Cantor, 2009). Plus important encore, les mégacaryocytes servent également de composant de la niche des CSH et régulent étroitement le maintien de la fonction des CSH (Bruns et al., 2014 ; Zhao et al., 2014). Les CSH vWF+ à base de plaquettes et de myéloïdes, mais pas les CSH vWF- à base de lymphe, s’associent aux mégacaryocytes et sont régulées par les mégacaryocytes (Pinho et al., 2018). Toutes ces données suggèrent que les CSH et le mégacaryocyte (ou ses progéniteurs) sont plus proches les uns des autres dans la hiérarchie du développement hématopoïétique qu’on ne l’appréciait auparavant. Compte tenu de l’hétérogénéité observée dans la population des CSH, nous pensons que la prédétermination de la lignée (destin cellulaire) se produit dans les CSH, avant leur différenciation en progéniteurs. En outre, le mégacaryocyte peut naître indépendamment des autres lignées, et la voie de différenciation des mégacaryocytes est d’abord séparée des autres lignées de cellules sanguines dans la hiérarchie.

Hétérogénéité dans les MPP

Les études de Trumpp (Wilson et al, 2008) et Passegue (Pietras et al., 2015) ont ensuite divisé la population des MPP en MPP1, MPP2, MPP3 et MPP4 selon leur immuno-phénotype, leur statut de cycle cellulaire, leur biais de lignage, leur résistance aux traitements médicamenteux et leur abondance dans la moelle osseuse. MPP1 est plus similaire aux IT-HSC ou ST-HSC précédemment définis, qui ont une capacité de reconstitution de lignées multiples jusqu’à 4 mois lors de la première transplantation, tandis que MPP2/3/4 sont dépourvus de potentiel d’auto-renouvellement et ne présentent qu’une capacité de reconstitution myéloïde à court terme (<1 mois). Plus important encore, MPP2 et MPP3 produisent de faibles niveaux de cellules T et B et MPP4 génère de faibles niveaux de cellules myéloïdes in vivo. En outre, par rapport à MPP3 et MPP4, MPP2 produit des niveaux plus élevés de plaquettes. Dans l’ensemble, MPP2 est un sous-ensemble MPP à tendance mégacaryocytaire et MPP3 est un sous-ensemble MPP à tendance myéloïde. Les deux MPP2 et MPP3 sont fonctionnellement distincts du MPP4 à prédominance lymphoïde. Les CSH génèrent de manière indépendante les trois types de MPP axés sur la lignée (MPP2-4), mais parmi eux, aucun MPP n’est capable de générer d’autres MPP in vivo (Fig. 2E). Après la transplantation, les CSH produisent d’abord des MPP à orientation myéloïde (MPP1/2) pour établir rapidement une production myéloïde, puis la sous-population MPP4 à orientation lymphoïde pour reconstruire le compartiment lymphoïde. Par conséquent, les MPP constituent une population hétérogène avec un potentiel de lignage différent, tant au niveau cellulaire que moléculaire.

Hétérogénéité et hiérarchie au sein des progéniteurs myéloïdes

Dans le modèle classique, les CMP et les MEP sont séparés selon l’expression du CD34. Dans la population Lin-cKit+Sca1- (LKS-), les CMP sont CD34+CD16/32-, tandis que les MEP sont CD34-CD16/32-. On pense que les CMP possèdent une oligo-potence, notamment un potentiel de différenciation des granulocytes, des macrophages, des mégacaryocytes et des érythrocytes. Cependant, les CMP ont une faible fréquence clonale de colonies myéloïdes mixtes, et les PEM possèdent également un faible niveau de potentiel mégacaryocytaire (Nakorn et al., 2003). Par conséquent, cela nous incite à savoir si chaque CMP ou MEP a un potentiel de lignage différent au niveau de la cellule unique, c’est-à-dire, si chaque CMP est effectivement oligo-potente, et si la MEP est bipotente.

Pour comprendre l’hétérogénéité et l’engagement de lignée dans la population des progéniteurs myéloïdes LKS-, en particulier dans les CMP, Pronk et al. (Pronk et al., 2007) ont utilisé CD150, CD105 (Endoglin), CD41 et CD16/32 pour reségréguer les progéniteurs myéloïdes LKS-. Dans la population LKS-, les cellules CD41+CD150+ sont définies comme des progéniteurs mégacaryocytaires (MkP), qui sont exclusivement associés à la génération de mégacaryocytes. Les cellules CD41-CD150- CD16/32+ sont des GMP. Dans la population CD41-CD150-CD16/32- (mélange classique de CMPs et MEPs), il y a quatre sous-populations nouvellement définies, incluant les pre MegEs, pre GMs, Pre CFU-Es et CFU-Es (Pronk et al., 2007). Les cellules Pre MegE simples peuvent effectivement produire des colonies de mégacaryocytes, d’érythroïdes ainsi que des colonies mixtes mégacaryocytes/érythroïdes. En revanche, les cellules Pre CFU-E donnent naissance presque exclusivement à des colonies érythroïdes de tailles diverses. Les cellules Pre GM se situent en amont des GMP sur le plan du développement et présentent une sortie de lignée clonale remarquablement similaire à celle des GMP. Par conséquent, l’étude de Pronk et al. explore les processus de différenciation des cellules myéloïdes, révèle un certain nombre de nouveaux progéniteurs intermédiaires et orchestre un nouveau modèle hiérarchique, notamment des précurseurs de neutrophiles prolifératifs unipotents (Kim et al., 2017 ; Evrard et al., 2018 ; Zhu et al., 2018). Les CMP classiques sont constitués de pré-MG et de la majorité des pré-MégE, et les MkP sont séparés en UFC-E, en pré-MGE et en une partie des pré-MégE. De plus, les MkPs sont localisés principalement dans les CMPs (Pronk et al., 2007) (Fig. 2F).

Dans la lignée des travaux discutés ci-dessus, un article de référence du laboratoire d’Amit rapportant les transcriptomes pour plus de 2 600 cellules progénitrices myélo-érythroïdes LKS- uniques de souris (Paul et al, 2015) et un travail ultérieur du laboratoire de Gottgens rapportant les transcriptomes de 1 600 HSPC (Nestorowa et al., 2016) ont tous deux révélé l’hétérogénéité des progéniteurs LKS-. Les cellules uniques des PEM classiques ne présentent aucune expression de marqueurs mégacaryocytaires ou de TF mégacaryocytaires proéminents. Cependant, les marqueurs mégacaryocytaires (Pf4 et CD41) et les TF (Pbx1, Fli1, Mef2c) sont exprimés dans les cellules des CMP classiques (Paul et al., 2015).

Ensemble, toutes les études ont expliqué pourquoi les mégacaryocytes se différencient principalement des CMP, mais pas des MEP, et que les MEP donnent principalement naissance à des érythrocytes. Par conséquent, cela suggère que les MEP classiques pourraient ne pas être le véritable précurseur des mégacaryocytes.

La différenciation hématopoïétique est un processus continu

Des études antérieures ont indiqué que les CSH individuelles acquièrent progressivement des biais de lignage le long de plusieurs directions tout en passant par des populations progénitrices discrètes organisées hiérarchiquement (Fig. 3A). Cependant, ces modèles sont basés sur l’analyse de populations cellulaires prédéfinies triées en flux. Avec les progrès des méthodologies, il est devenu possible d’étudier les similitudes ou les différences des HSPC individuelles et leurs relations de différenciation.

En utilisant scRNA-seq combiné à une analyse computationnelle, une étude récente sur des HSPC de moelle osseuse humaine échantillonnées de manière exhaustive a suggéré un modèle dans lequel l’acquisition de destins spécifiques à une lignée est un processus continu, et les cellules à l’unilinéarité restreinte émergent directement d’un continuum de HSPC indifférenciées à faible amorçage, sans transition majeure à travers les stades multi- et bi-potents (Velten et al., 2017). Ce point de vue est soutenu par une étude sur le poisson zèbre qui suggère que le continuum de différenciation des CPSH est caractérisé par un programme transcriptionnel hautement coordonné, montrant simultanément la suppression des gènes liés à la prolifération cellulaire et la régulation ascendante des gènes spécifiques de la lignée (Macaulay et al., 2016). En outre, une autre étude utilisant des progéniteurs lympho-myéloïdes du sang de cordon humain, y compris des LMPP, des GMP et des progéniteurs multi-lymphoïdes (MLP), a encore suggéré un modèle dans lequel un continuum de progéniteurs exécute la différenciation lymphoïde et myéloïde, plutôt que seuls des progéniteurs unilinéaires soient présents en aval des cellules souches (Karamitros et al., 2018). Bien que la plupart des progéniteurs aient un potentiel uni-lineage, des progéniteurs bi- et oligo-lineage sont présents parmi les LMPP, les GMP et les MLP. Ces études susmentionnées modifient notre point de vue selon lequel la différenciation hématopoïétique est un processus continu, plutôt qu’une hiérarchie discrète, ce qui suggère qu’il n’existe pas de frontière évidente entre les cellules souches et les progéniteurs (Laurenti et Gottgens, 2018) (Fig. 3B).

La feuille de route de l’hématopoïèse humaine

Dans l’hématopoïèse humaine, le groupe Dick a trié les MPP, CMP et MEP du foie fœtal et de la moelle osseuse adulte, et a comparé leur potentiel de lignage à partir de différents stades de développement (Notta et al, 2016). Ils ont montré que les MPP, CMP et MEP précédemment définis sont hétérogènes. Fait important, les MEP, provenant à la fois du foie fœtal et de la moelle osseuse, produisent uniformément des clones uniquement érythroïdes. Par conséquent, les PEM définis classiquement sont principalement des précurseurs érythroïdes lorsqu’ils sont analysés à une résolution unicellulaire et ne sont pas des progéniteurs mégacaryocytes/érythroïdes comme on le pensait auparavant, ce qui correspond à l’observation faite dans un modèle de souris (Pronk et al., 2007). Il est intéressant de noter que le foie fœtal contient un grand nombre de progéniteurs oligopotents distincts. Cependant, peu de progéniteurs oligopotents étaient présents dans la moelle osseuse adulte. Au contraire, seules deux classes de progéniteurs prédominent, les multipotents et les unipotents, les lignées mégacaryocytaires/érythroïdes émergeant des cellules multipotentes. L’étude du groupe Dick fournit un modèle révisé pour comprendre l’hématopoïèse normale, qui est en effet flexible dans le temps du développement.