Discuss The Role of Positive and Negative Regulators In Haemopoiesis 

The bone marrow microenvironment is crucial for successful haemopoiesis. Cells must be able to communicate directly with each other.  Low molecular weight glycoproteins (cytokines) including growth factors and colony stimulating factors, regulate survival, proliferation and differentiation of haemopoietic progenitor cells, and control their functional activities.  They were originally characterised by their ability to stimulate in vitro colony formation by haemopoietic progenitors in semi-solid media, for example GM-CSF stimulated in vitro formation of granulocytes and macrophages, and M-CSF stimulated in vitro formation for macrophages.  They are released by one type of cell to act on different stem cells and blast cells to promote proliferation and differentiation. Growth factors may act on a single cell lineage at a single stage of its development, or on a series of cells at different stages of development. Apoptosis is a negative regulator of haemopoiesis, and the basis of this process is that cells require continual growth factors signals to survive, and a lack of these growth factors leads to biochemical cell changes, ending in cell death. 

Haemopoietic growth factors: 

Interleukins 

IL-1: stimulates production of GM-CSF, G-CSF, M-CSF and IL-6 from a variety of cells in the BM. 

IL-3, IL-4, and IL-6: act on early multipotent cells.  IL-5: eosinophil CSF 

Colony stimulating factors (CSFs) 

G-CSF: stimulates the differentiation of granulocyte precursors, and activity of mature granulocytes. 

GM-CSF: stimulates the differentiation and maturation of granulocytes and macs, and also their functions when mature. 

Other factors 

SCF: acts on pluripotent stem cells, causing them to differentiate, and also has effects on the later maturation of several cell lineages. 

Epo: released from the kidney and travels to the BM, where it acts on erythroid precursors to stimulate RBC development. 

Tpo: produced by the liver, stimulates the megakaryocyte maturation and platelet production. 

TNF: Similar actions to IL-1. 

 Erythropoiesis: 

Erythropoiesis is the process continually occurring in the bone marrow, where HSC differentiate and proliferate into mature erythrocytes.  It is important that RBC are maintained within a constant range because a decrease in RBC levels would impair the supply of oxygen to tissues, and an increase in RBC levels would increase blood viscosity and flow could be impeded.  Erythropoiesis is induced under conditions of tissue hypoxia, to increase the capacity for oxygen delivery, minimise hypoxic injury and restore adequate oxygenation. The hypoxia-inducible factor (HIF), composed of HIF-alpha and HIF-beta, control the cellular response to hypoxia.  The Epo gene is activated primarily by HIF-2, which under normoxic conditions is tightly regulated by the hydroxylation of proline residues by prolyl hydroxylase.  Epo binds to Epo receptors (EpoR) which are expressed by BFU-E and CFU-E, preventing their apoptosis, and causing their proliferation and differentiation into proerythroblasts.  

Following Epo binding, there are increases in RNA and DNA synthesis, glucose uptake, expression of globin genes followed by haemoglobin synthesis.   

Erythropoiesis requires a balance between the positive signals produced by Epo, stem cell factor (SCF), insulin-like growth factor (IGF-1) and insulin, and the negative inhibitory signals from death receptors and inhibitory cytokines such as IL-1, TNF-alpha, and IFN-gamma. The SCF ligand is essential for erythropoiesis, and its receptor c-kit is expressed on BFU-E and CFU-E, working together with Epo to permit proliferation and differentiation.  The FAs ligand negatively regulates erythroid differentiation and controls the number of erythroid precursors by binding to the Fas receptor on immature erythroblasts, causing apoptosis. 

 

Thrombopoiesis: 

The key growth factor for thrombopoiesis that mirrors the role of erythropoietin in erythropoiesis is thrombopoietin. This growth factor is produced by the liver, kidney and bone marrow stromal cells, and is encoded for by the Tpo gene.  Tpo activates megakaryocyte and their precursors, such as CFU-Mk, by interacting with the surface receptor, c-mpl, a member of the hematopoietic growth factor receptor superfamily, which is present on stem cells, megakaryocytes and platelets. Tpo signals via the JAK/STAT family of kinases and transcription factors and is required by the megakaryocyte to enable cell growth and the production of platelets. The absence of the c-mpl receptor or Tpo itself results in thrombocytopenia in the blood, and reduced numbers of megakaryocytes. Tpo is synthesized at a constant rate in the liver and its circulating free levels are largely controlled by binding and internalization, mediated through c-mpl on the platelet surface, which provides a simple means of tightly controlling the platelet count. If the platelet count decreases, the free level of Tpo rises and there is an increase in megakaryocytopoiesis and platelet formation. Megakaryocyte differentiation occurs in a defined compartment of the bone marrow known as the osteoblastic niche. The chemokine SDF-1 alpha and its receptor CXCR4 regulate the migration of megarkaryocytes. At this vascular niche, the megakaryocytes generate long thin processes, known as pro-platelets, which form platelets at their terminal, and release the platelets directly into the blood stream. 

Granulopoiesis: 

Granulopoiesis is a complex process by which primitive blood precursors differentiate into fully differentiated, functionally active granulocytes. Studies on the production of neutrophilic granulocytes and other myeloid cells have provided important paradigms for understanding differentiation.  The regulation of neutrophil production is in part controlled by G-CSF, IL-17, and IL-23. Neutrophils are retained in the bone marrow through interaction of CXCL12 with its receptor CXCR4. Differentiation from myeloblastic and myelocytic progenitors into neutrophils involves tightly regulated gene expression that leads to the formation of a granule with specific protein contents.  Hematopoietic cytokines promote neutrophil progenitor proliferation and differentiation, acting in a complex network. The major cytokine for neutrophil proliferation and survival is G-CSF, and humans with a G-CSF deficiency suffer from neutropenia. G-CSF stimulates granulopoiesis at several stages of granulocytic differentiation. It induces the commitment of multipotential progenitor cells down the myeloid lineage stimulates the proliferation of granulocytic precursors, and reduces the average 

transit time through the granulocytic compartment. It potently stimulates neutrophil release from the bone marrow. The biological effects of G-CSF are mediated through the G-CSF receptor (G-CSFR), a member of the hematopoietic (class I) cytokine receptor family. Extensive preclinical and clinical data exist on the role of other granulopoietic cytokines such as GM-CSF, IL-6, IL-3, and, most recently, IL-22. Neutrophils are short-lived, with a high rate of spontaneous apoptosis.   

 

Myelopoiesis 

Lymphopoiesis 

 

Inhibitors of haemopoiesis 

Lactoferrin 

Alpha and gamma interferon 

PGEs inhibit myelopoiesis 

Restrictins 

AcSDKP and pEEDCK