The role of the atypical chemokine receptor ACKR3 in bone marrow homeostasis

Abstract

Daily hematopoietic cells are produced in the bone marrow (BM) in a process termed as hematopoiesis. At the apex of hematopoiesis, the hematopoietic stem cells (HSC) reside, the cells which produce all other hematopoietic cells (Haas et al., 2018). The chemokine CXCL12 and itsreceptor CXCR4 regulate hematopoiesis, retaining the HSC within the BM (Nagasawa et al., 1996, Ma et al., 1998). Additionally, CXCL12 binds to the atypical chemokine receptor ACKR3 (Burns et al., 2006). However, the expression and the role of ACKR3 within the BM remains undetermined, whereas the mechanism by which CXCL12 and CXCR4 maintain HSCs in the BM remains elusive. In this regard, the expression of ACKR3 was assessed using an ACKR3 reporter mouse line. In addition, the expression of the receptor was conditionally deleted in vivo and the effect in steady state and during emergency hematopoiesis, with the administration of the cytotoxic agent 5-Fluorouracil (5FU), was assessed. Furthermore, ACKR3 was pharmacologically inhibited and the role of the receptor in regulating CXCL12 was investigated. Finally, the role of the axis in HSC BM retention was evaluated in Ackr3-/-, Cxcl12-/- and Cxcr4-/- mice. The present study demonstrates that ACKR3 is not expressed in HSC and progenitor cells, but rather in the endosteal cells and in BM plasma cells. In addition, the conditional deletion of ACKR3 in all tissues, did not affect blood cell production, but induced HSCs to exit quiescence and acquire a proliferating phenotype. Similarly, conditional deletion of CXCL12 forced HSCs to exit dormancy, demonstrating that ACKR3 maintains HSC quiescence via CXCL12. The role of ACKR3 in HSC maintenance is even more pronounced during emergency hematopoiesis. In the absence of the receptor, mice exhibit enhanced mortality at day 10 after the administration of the cytotoxic agent. Under these conditions, ACKR3 also regulates Cxcl12 gene expression in aortic cells and hence, the concentration of CXCL12 in circulation. Nevertheless, ACKR3 deletion and the pharmacological inhibition of the receptor does not affect HSC mobilization. Deletion of CXCL12 and the artificial increase of circulating CXCL12 concentration further suggest that CXCL12 is not sufficient to regulate HSC retention and mobilization. On the contrary, the expression of CXCR4 on hematopoietic, but not on stromal cells, is essential for the maintenance of the cells in the BM. In conclusion, the present study unravels the differences in the expression pattern of CXCR4 and ACKR3 within the BM and reveals an unprecedented role for ACKR3 in the maintenance of HSC quiescence and the regulation of CXCL12 concentration under certain conditions. Finally, this study suggests that HSCs anchor in the BM via CXCR4, demonstrating that CXCR4 is the critical element for BM cell retention.

Καθημερινά, στο μυελό των οστών (ΜΟ) παράγονται αιμοποιητικά κύτταρα μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται αιμοποίηση. Στην κορυφή της ιεραρχίας της αιμοποίησης βρίσκονται τα αιμοποιητικά βλαστοκύτταρα (HSC), τα οποία είναι υπεύθυνα για την παραγωγή όλων των υπόλοιπων αιμοποιητικών κυττάρων (Haas et al., 2018). Η χημειοκίνη CXCL12 και ο υποδοχέας της, CXCR4, ρυθμίζουν την αιμοποίηση, συγκρατώντας τα HSC εντός του μυελού των οστών (Nagasawa et al., 1996, Ma et al., 1998). Επιπλέον, η CXCL12 συνδέεται με τον μη-τυπικό υποδοχέα χημειοκινών ACKR3 (Burns et al., 2006). Ωστόσο, η έκφραση και ο ρόλος του ACKR3 εντός του μυελού παραμένουν απροσδιόριστα, ενώ ο μηχανισμός με τον οποίο οι CXCL12 και CXCR4 διατηρούν τα HSC στον μυελό δεν έχει ακόμη αποσαφηνιστεί. Στο πλαίσιο αυτό, η έκφραση του ACKR3 αξιολογήθηκε με τη χρήση ενός διαγονιδιακού ζωϊκού μοντέλου αναφοράς (reporter mouse line) για τον ACKR3. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε η υπό όρους απαλοιφή (conditional deletion) του υποδοχέα in vivo και εξετάστηκε η επίδρασή της τόσο σε κατάσταση ηρεμίας όσο και κατά τη διάρκεια επείγουσας αιμοποίησης, μετά τη χορήγηση του κυτταροτοξικού παράγοντα 5-Φθοριοουρακίλη (5FU). Παράλληλα, ο ACKR3 ανεστάλη φαρμακολογικά και διερευνήθηκε ο ρόλος του στη ρύθμιση της CXCL12. Τέλος, αξιολογήθηκε ο ρόλος αυτού του άξονα στη συγκράτηση των HSC στον μυελό των οστών σε διαγονιδιακά ζώα Ackr3−/−, Cxcl12−/− και Cxcr4−/−. Η παρούσα μελέτη καταδεικνύει ότι ο ACKR3 δεν εκφράζεται στα HSC και στα προγονικά κύτταρα, αλλά κυρίως στα κύτταρα του ενδοστέου και σε υποομάδα των Β λεμφοκυττάρων του μυελού. Επιπλέον, η υπό όρους απαλοιφή του ACKR3 σε όλους τους ιστούς δεν επηρέασε την παραγωγή κυττάρων του αίματος, αλλά ώθησε τα HSC να εξέλθουν από την κατάσταση ηρεμίας (quiescence) και να πολλαπλασιαστούν. Παρομοίως, η υπό όρους απαλοιφή της CXCL12 ανάγκασε τα HSC να εξέλθουν από τη λανθάνουσα κατάσταση, αποδεικνύοντας ότι ο ACKR3 διατηρεί την ηρεμία των HSC μέσω της CXCL12.Ο ρόλος του ACKR3 στη διατήρηση των HSC είναι ακόμη πιο έντονος κατά την επείγουσα αιμοποίηση. Απουσία του υποδοχέα, τα διαγονιδιακά ζώα εμφανίζουν αυξημένη θνησιμότητα τη 10η ημέρα μετά τη χορήγηση του κυτταροτοξικού παράγοντα. Υπό αυτές τις συνθήκες, ο ACKR3 ρυθμίζει επίσης την έκφραση του γονιδίου Cxcl12 στα κύτταρα της αορτής και, κατά συνέπεια, τη συγκέντρωση της CXCL12 στην κυκλοφορία. Παρόλα αυτά, η απαλοιφή του ACKR3 και η φαρμακολογική αναστολή του υποδοχέα δεν επηρεάζουν την κινητοποίηση των HSC. Η απαλοιφή της CXCL12 και η τεχνητή αύξηση της συγκέντρωσής της στην κυκλοφορία υποδηλώνουν περαιτέρω ότι η CXCL12 από μόνη της δεν επαρκεί για τη συγκράτηση ή την κινητοποίηση των HSC. Αντίθετα, η έκφραση του CXCR4 στα αιμοποιητικά κύτταρα (και όχι στα στρωματικά) είναι απαραίτητη για τη διατήρηση των κυττάρων στον μυελό των οστών. Συμπερασματικά, η παρούσα μελέτη αποκαλύπτει τις διαφορές στο πρότυπο έκφρασης των CXCR4 και ACKR3 εντός του μυελού των οστών και αναδεικνύει έναν πρωτόγνωρο ρόλο του ACKR3 στη διατήρηση της ηρεμίας των HSC και στη ρύθμιση της συγκέντρωσης της CXCL12 υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Τέλος, η μελέτη υποδεικνύει ότι τα HSC αγκυροβολούν στον μυελό μέσω του CXCR4, αποδεικνύοντας ότι ο CXCR4 αποτελεί το κρίσιμο στοιχείο για τη συγκράτηση των κυττάρων στον μυελό των οστών.