Universitat de Barcelona
Universitat de Barcelona. Facultat de Biologia
[eng] Hematopoietic stem and progenitor cells serve as a cornerstone of tissue homeostasis, enabling the generation of diverse blood cell types and immune responses. However, aberrations in their clonal dynamics and differentiation trajectories underpin a range of pathological conditions, including hematological malignancies, cardiovascular diseases, and tumor progression. This thesis employs advanced single-cell and lineage-tracing methodologies to dissect the cellular and molecular mechanisms governing stem cell behavior, differentiation, and functional diversity across disease contexts. In the first study, we elucidate the role of the cellular state of origin in dictating leukemic phenotypes. Using clonal tracing in mouse models, we demonstrate that low fitness stem cells, typically outcompeted during normal hematopoiesis, gain a competitive advantage following mutations in Dnmt3a-R878H or Npm1c. These mutations not only amplify specific clones but also reprogram their differentiation trajectories, underscoring the role of clonal "reaction norms" in cancer heterogeneity. The second study presents EPI-clone, a transgene-free lineage-tracing framework leveraging somatic epimutations to resolve clonal dynamics at single-cell resolution. Applied to murine and human hematopoiesis, EPI-clone reveals that age-related myeloid bias arises from a restricted pool of expanded clones, while many functionally young-like clones persist. In humans, we identify a spectrum of age-related clonal expansions, both with and without driver mutations, establishing a continuum of clonal hematopoiesis in ageing. The third study investigates the role of hematopoietic stem cells (HSCs) in emergency hematopoiesis (EH) following myocardial infarction (MI). By profiling human bone marrow from cardiac surgery patients, we uncover transcriptional and functional shifts in HSCs that promote pro-inflammatory myelopoiesis, contributing to impaired cardiac repair. Therapeutically, enforcing HSC quiescence via 4-oxo-retinoic acid mitigates inflammatory myelopoiesis, preserving cardiac function post-MI and providing a potential strategy for modulating excessive immune responses. Finally, the fourth study explores neutrophil development and its implications for cancer progression. We identify the cationic amino acid transporter Slc7a7 as a critical regulator of neutrophil maturation and function. Loss of Slc7a7 disrupts differentiation trajectories, reduces pro-inflammatory responses, and diminishes neutrophil extracellular trap (NET) formation. Remarkably, Slc7a7 deficiency delays tumor progression in a melanoma model, highlighting amino acid metabolism as a promising therapeutic target to modulate neutrophil responses in inflammatory diseases and cancer. Collectively, this thesis provides a comprehensive exploration of stem and progenitor cell biology across diverse pathological contexts, offering novel insights into clonal dynamics, differentiation plasticity, and therapeutic interventions. These findings advance our understanding of the cellular hierarchies and molecular pathways that underpin disease progression, with implications for targeted therapies in cancer, cardiovascular disease, and immune dysregulation.
[cat] Les cèl·lules mare hematopoètiques i progenitores són una pedra angular de l'homeòstasi tissular, ja que permeten la generació de diversos tipus de cèl·lules sanguínies i respostes immunitàries. No obstant això, les alteracions en la dinàmica clonal i les trajectòries de diferenciació sustenten una àmplia gamma de condicions patològiques, incloent-hi malignitats hematològiques, malalties cardiovasculars i la progressió tumoral. Aquesta tesi utilitza metodologies avançades de seqüenciació unicel·lular i traçat de llinatge per disseccionar els mecanismes cel·lulars i moleculars que governen el comportament de les cèl·lules mare, la diferenciació i la seva diversitat funcional en diferents contextos patològics. En el primer estudi, es posa de manifest el paper de l'estat cel·lular d'origen en la definició dels fenotips leucèmics. Mitjançant el traçat clonal en models murins, demostrem que les cèl·lules mare diferenciatives, que normalment són desplaçades durant l'hematopoesi normal, adquireixen un avantatge competitiu després de mutacions en Dnmt3a-R878H o Npm1c. Aquestes mutacions no només amplifiquen clons específics, sinó que també reprogramen les seves trajectòries de diferenciació, destacant la importància de les "normes de reacció clonal" en l'heterogeneïtat del càncer. El segon estudi presenta EPI-clone, un sistema de traçat de llinatge sense transgens que aprofita les epimutacions somàtiques per resoldre la dinàmica clonal amb resolució unicel·lular. Aplicat a l’hematopoesi murina i humana, EPI-clone revela que el biaix mieloide relacionat amb l’envelliment sorgeix d’un grup restringit de clons expandits, mentre que molts clons funcionalment joves persisteixen. En humans, identifiquem un espectre d’expansions clonals relacionades amb l’edat, tant amb com sense mutacions conductores, establint un continu de l’hematopoesi clonal en l’envelliment. El tercer estudi investiga el paper de les cèl·lules mare hematopoètiques (HSCs) en l’hematopoesi d’emergència (EH) després d’un infart de miocardi (IM). A través del perfil transcriptòmic de medul·la òssia humana de pacients sotmesos a cirurgia cardíaca, descobrim alteracions transcripcionals i funcionals en les HSCs que promouen la mielopoiesi proinflamatòria, contribuint a una reparació cardíaca deteriorada. Terapèuticament, la inducció de la quiescència de les HSCs mitjançant l’àcid 4-oxo-retinoic mitiga la mielopoiesi inflamatòria, preservant la funció cardíaca després de l’IM i oferint una estratègia potencial per modular respostes immunitàries excessives. Finalment, el quart estudi explora el desenvolupament dels neutròfils i les seves implicacions en la progressió del càncer. Identifiquem el transportador d’aminoàcids catiònics Slc7a7 com a regulador crític de la maduració i funció dels neutròfils. La pèrdua de Slc7a7 altera les trajectòries de diferenciació, redueix les respostes proinflamatòries i disminueix la formació de trampes extracel·lulars dels neutròfils (NETs). Notablement, la deficiència de Slc7a7 retarda la progressió tumoral en un model de melanoma, destacant el metabolisme dels aminoàcids com a objectiu terapèutic prometedor per modular les respostes dels neutròfils en malalties inflamatòries i el càncer. En conjunt, aquesta tesi proporciona una exploració integral de la biologia de les cèl·lules mare i progenitores en diferents contextos patològics, oferint noves perspectives sobre la dinàmica clonal, la plasticitat de diferenciació i les intervencions terapèutiques. Aquests descobriments avancen la nostra comprensió sobre les jerarquies cel·lulars i les vies moleculars que sustenten la progressió de malalties, amb implicacions per a teràpies dirigides en càncer, malalties cardiovasculars i disfuncions immunitàries.
Biologia molecular; Biología molecular; Molecular biology; Enginyeria genètica; Ingeniería genética; Genetic engineering; Aminoàcids; Aminoácidos; Amino acids; Metabolisme; Metabolismo; Metabolism
575 - Genètica general. Citogenètica general. Immunogenètica. Evolució. Filogènia
Ciències Experimentals i Matemàtiques
Programa de Doctorat en Biomedicina / Tesi realitzada a l'Institut de Recerca en Biomedicina (IRB Barcelona)
ADVERTIMENT. Tots els drets reservats. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.
Facultat de Biologia [251]
