Reprogramming of B cells into macrophages: mechanistic insights

Abstract

Our earlier work has shown that pre-B cells can be converted into macrophages by the transcription factor C/EBPα at very high frequencies and also that a clonal pre-B cell line with an inducible form of C/EBPα can be converted into macrophage-like cells. Using these systems we have performed a systematic analysis of the questions whether during transdifferentiation the cells retrodifferentiate to a precursor cell state and whether cell cycle is required for reprogramming. As for the first question, a transcriptome analysis of transdifferentiating cells showed that most genes are continuously up or downregulated, acquiring a macrophage phenotype within 5 days. In addition, we observed the transient reactivation of a subset of immature myeloid markers, as well as low levels of the progenitor markers Kit and Flt3 and a few lineage inappropriate genes. Importantly, we were unable to observe the re-expression of cell surface marker combinations that characterize hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs), including c-Kit and Flt3. This was the case even when C/EBPα was activated in pre-B cells under culture conditions that favor HSPC growth or when the transcription factor was activated in a time limited fashion. As for the second question, using the C11-inducible pre-B cell line, time-lapse experiments showed that a subpopulation of about 8% of the pre-B cells did not divide before acquiring macrophage properties, with the majority of cells dividing once and a few percent dividing twice. In agreement with these results we found that 8% of the induced cells did not incorporate BrdU during reprogramming. Importantly, the non-dividing cell subset expressed the highest levels of C/EBPα and was the fastest in acquiring a macrophage phenotype. Inhibition of DNA synthesis by aphidicolin led to an impairment of transdifferentiation in >70% of the cells, suggesting a requirement for traversing the cell cycle. However, sorting pre-B cells into G0/G1 and G2/M fractions followed by induction showed no significant differences in the reprogramming kinetics. Finally, we showed that knocking down p53 in the inducible pre-B cells does not alter their conversion into macrophages, suggesting that an acceleration of the cell cycle has no effect. Together, our findings show that the conversion of pre-B cells to macrophages does not involve overt retrodifferentiation and that high concentrations of C/EBPα bypass the cell cycle-dependency of immune cell transdifferentiation

Recientemente, nuestro grupo ha demostrado que las células pre-B se pueden reprogramar a macrófagos mediante la sobreexpresión del factor de transcripción C/EBP, con una eficiencia elevada. Así mismo, mediante la expresión de la forma inducible de C/EBP en una línea de células pre-B (C11), éstas también se puede convertir en células similares a macrófagos. Usando este sistema hemos estudiado si durante el proceso de trans-diferenciacion las células requieren volver a un estadio de célula precursora, y si el ciclo celular es necesario para este proceso. En cuanto a la primera cuestión, el análisis del transcriptoma de células trans-diferenciadas mostró que la expresión de la mayoría de los genes están regulados durante todo el proceso bien aumentando o disminuyendo, y que adquieren el fenotipo de macrófago a los 5 días después de iniciar el proceso. Así mismo, se observó la reactivación transitoria de un grupo de genes que codifican para marcadores de células mieloides inmaduras; también cabe destacar que observamos una disminución en la expresión de los genes expresados en células progenitoras Kit y Flt3, así como de genes de linajes impropios. Es importante destacar que nunca hemos llegado a observar la expresión de combinaciones de marcadores de superficie característicos de las células madre hematopoyéticas y las células progenitoras (HSPCs), incluyendo c-Kit y Flt3, mediante el análisis por citometría de flujo. Estos resultados se reprodujeron incluso cuando C/EBP se sobreexpresó en células pre-B que fueron cultivadas en condiciones que favorecen el crecimiento de las HSPC o cuando el factor de transcripción se activó de forma limitada en el tiempo. En cuanto a la segunda pregunta, usando la línea de células inducibles pre-B C11, el análisis mediante microscopia a diferentes tiempos después de la inducción de la reprogramación mostraron que una subpoblación de aproximadamente el 8% de las células pre-B no se dividen antes de adquirir las propiedades de macrófago, mientras que la mayoría de las células se dividen sólo una vez y un pequeño porcentaje dos veces antes de que se reprogramen totalmente a macrófagos. De acuerdo con estos resultados se encontró que un 8% de las células inducidas no incorporan BrdU durante la reprogramación. Es importante destacar que el subconjunto de células que no se dividen expresan los niveles más altos de C/EBP, con lo que cabe pensar que la adquisición del fenotipo de macrófago es más rápida en estas células. La inhibición de la síntesis de ADN por afidicolina bloqueó la transdiferenciación en mas de un 70% de las células, lo que sugiere que la correcta progresión del ciclo celular es un requisito para la transdiferenciación. Sin embargo, al separar la linea de células pre-B C11 en fracciones G0/G1 y G2/M seguido de la inducción, la cinética de la reprogramación no mostró diferencias significativas. Por último, también demostramos que la reducción en la expresión de p53 en las células pre-B inducibles no altera el proceso de conversión a macrófago, lo que sugiere que la aceleración del ciclo celular no tiene ningún efecto. En conjunto, nuestros resultados muestran que la conversión de células pre-B a macrófagos no requiere retro-diferenciación y que las células con una expresión mayor de C/EBP pueden llegar a prescindir de la dependencia del ciclo celular para la trans-diferenciación de las células inmunitarias.