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Wie entwickeln sich Antikörper-produzierende B-Lymphozyten aus blutbildenden Stammzellen?

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Lymphozytenentwicklung

Hämatopoietische Stammzellen im Knochenmark sind sehr flexibel. Einige von ihnen verharren lebenslang in völliger Ruhe in speziellen, Energie-sparenden Nischen des Knochenmarks, andere wandern aus, um im Blut zu zirkulieren, bevor sie wieder ins Knochenmark zurückkehren. Wieder andere vermehren sich durch Zellteilung, und wieder andere begeben sich auf die Wege der Differenzierungen zu reifen, spezialisierten Zellen – so auch zu Antikörper- produzierenden B-Zellen. Die Zellen und Moleküle der Umgebung, also die Nischen, in der sich diese Stammzellen finden, beeinflussen die flexiblen Reaktionen der Stammzellen. Unser Ziel ist es, die zellulären und molekularen Interaktionen für die verschiedenen Stammzellstadien in diesen Nischen zu definieren, und wir versuchen, ob wir diese Nischen in Gewebekultur nachbauen können. Das ist uns mit präB-Zellen bereits gelungen. Wir konnten die sich aus diesen Stammzellen entwickelnden präB-Zellen mit den Onkogenen c-myc und bcl-xL zu transduzieren, und aus ihnen Klone von unreifen B-Zellen in Gewebekultur etablieren und erwarten, dass die Mehrzahl von ihnen autoimmun aktiv ist. Wir hoffen, mit diesen autoreaktiven Zellen den bisher nicht verstandenen zellulären und molekularen Prozess der „negativen Selektion“ verstehen zu lernen, mit dem autoreaktive B-Zell Klone als potentiell gefährliche, autoimmune Antikörperproduzenten eliminiert werden.

Welche zellulären und molekularen Mechanismen benutzen Stammzellen, um in ihren Nischen im Knochenmark sesshaft zu werden? Die Aktionen einer Micro-RNA (mi221), analysiert in einer Modell-präB-Zellinie haben uns gezeigt, dass diese miRNA den Abbau des negativen Regulators PTEN der Pi3Kinase induziert. Das bewirkt erhöhte Pi3Kinase Aktivität, die ihrerseits die Expression des Apoptose-inhibitor bcl-2 erhöht. Ausserdem aktiviert erhöhte pi3K Aktivität ein Integrin, VLA4, und erhöht damit Adhäsion der hämatopoietische (präB-) Zellen an VCAM+Stroma, insgesamt also ein verlängertes Überleben und eine festere Adhäsion als Mechanismen einer besseren Residenz in Nischen. Weil alle hämatopoietischen Zellen des Knochenmarks, die nach Transplantation in das Knochenmark zurückwandern und dort wieder sesshaft werden können, miR221 produzieren, untersuchen wir, ob sie alle diese miR221-regulierten molekularen Mechanismen des Überlebens mittels Anti-Apoptose und der Adhäsion durch aktivierte Integrine für ihre Residenz im Knochenmark benutzen.

Transplantationen von Stammzellen werden klinisch zum Wiederaufbau des humanen blutbildenden Systems nach Chemotherapie und Bestrahlung auch bei der Therapie von Autoimmunerkrankungen (siehe Projekt Radbruch) eingesetzt. Vieles deutet darauf hin, dass die hämopoietischen Stammzellen des Menschen denen der Maus sehr ähnlich sind, und dass wir vielleicht nur eine einzige Stammzelle transplantieren müssen, um auch beim Menschen ein komplettes Blut- und Immun-System zu regenerieren. Ein Ziel unserer Einzel-Stammzellanalysen ist die Identifikation einer solchen Stammzelle.

Können ruhende hämatopoietische Stammzellen Ruhe und langzeitige Residenz für symbiotische, latente Infekte bieten? Wir waren sehr überrascht, als wir fanden, dass etwa 1% der langlebigen Stammzellen in latent M.tb. infizierten Mäusen und Menschen mit Mycobacterium tuberculosis (Mtb) in dormanter Form infiziert sind (5). Diese dormanten Bakterien können also eine Quelle möglicher Wiederbelebung von akut infizierenden M.tb. sein, die dann zu lebensgefährlicher Tuberkulose führen kann. Andererseits sind langzeitig ruhende, latent infizierte Stammzellen auch ideale, kontinuierliche Quellen der Produktion von M.tb. Molekülen und Antigenen, welche die angeborene und adaptive Immunität beeinflussen kann und vielleicht gegen die möglicherweise lebensbedrohende Infektion aufrechterhält.

Stichworte
Transplantation von Stamm und hämatopoietischen Vorläuferzellen
Retention und Überleben von hämatopoietischen Zellen in der Knochenmarksnische
Molekulare Mechanismen der Mikro RNA 221/222 Funktion in der Knochenmarksnische
Zentrale Toleranz der B-Zellen

Lymphozytenentwicklung Prof. Dr. Fritz Melchers Tel +49 3028460260 fritz.melchers@drfz.de Zur Person
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Dr. Georg Petkau (Postdoc)
Peter Jani (Humboldt Forschungsstipendiat)

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  1. Kawano Y, Petkau G, Wolf I, Tornack J, Melchers F. IL-7 and immobilized Kit-ligand stimulate serum- and stromal cell-free cultures of precursor B-cell lines and clones. Eur J Immunol. 2017 Jan;47(1):206-212. doi: 10.1002/eji.201646677. Epub 2016 Nov 11.
  2. Wolf I, Bouquet C, Naumann F, Melchers F. Generation of precursor, immature, and mature murine B1-cell lines from c-myc/bcl-xL-overexpressing pre-BI cells. Eur J Immunol. 2017 May;47(5):911-920. doi: 10.1002/eji.201746937. Epub 2017 Apr 6.
  3. Tornack J1, Reece ST2, Bauer WM3, Vogelzang A2, Bandermann S2, Zedler U2, Stingl G3, Kaufmann SH2, Melchers F1.Human and Mouse Hematopoietic Stem Cells Are a Depot for Dormant Mycobacterium tuberculosis PLoS One. 2017 Jan 3;12(1):e0169119. doi: 10.1371/journal.pone.0169119. eCollection 2017.
  4. Tornack J, Kawano Y, Garbi N, Hämmerling GJ, Melchers F, Tsuneto M. Flt3 ligand-eGFP-reporter expression characterizes functionally distinct subpopulations of CD150+ long-term repopulating murine hematopoietic stem cells. Eur J Immunol. 2017 Sep;47(9):1477-1487. doi: 10.1002/eji.201646730. Epub 2017 Jul 26.
  5. Petkau, G., Kawano, Y., Wolf, I., Knoll, M., Melchers, F. MiR221 promotes precursor B-cell retention in the bone marrow by amplifying the Pi3K-signaling pathway. Eur. J. Immunol. 2018, in press.
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Professor Dr. Ralf Richter, University of Leeds, Leeds, Grossbritannien

Professor Dr. Hajime Karasuyama, Tokyo Medical and Dental University, Tokyo, Japan

Dr. Yohei Kawano, Tokyo, Japan

Professor Dr. Stefan Kaufmann, MPIIB-Berlin, Berlin, Deutschland

Dr. Steven Reece

Professor Dr. Georg Stingl, AKH Wien, Dermatologische Klinik, Wien, Österreich

Dr. Wolfgang Bauer, Wien

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Professor Dr. Anja Hauser, DRFZ

Professor Dr. Hiromi Kubagawa, DRFZ

Dr. Mir-Farzin Mashreghi, DRFZ

Dr. Pavel Durek, DRFZ

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