INTRACELLULAR IRON OVERLOAD AFFECTS HSC METABOLISM BY IMPAIRING MITOCHONDRIAL FITNESS IN β-THALASSEMIA

L'attività e il metabolismo mitocondriali controllano in modo significativo la funzione e il destino delle cellule staminali ematopoietiche (HSC). Le HSC modificano lo stato metabolico in risposta a segnali di stress, come le specie reattive dell'ossigeno (ROS), che guidano l'ingresso delle HSC nel ciclo cellulare accompagnato da un aumento della fosforilazione ossidativa mitocondriale (OXPHOS) e della glicolisi. Tuttavia, l'eccessivo accumulo di ROS provoca il danno ossidativo degli organelli cellulari, compresi i mitocondri. Il ferro è una delle fonti di ROS e le HSC possono assorbire il ferro, ma si sa poco sugli effetti del ferro sul metabolismo delle HSC. Recentemente, abbiamo dimostrato una funzione alterata delle HSC nella β-talassemia (BThal), una condizione di sovraccarico sistemico di ferro (IO). Abbiamo anche osservato che l'eccesso di ferro riduce la capacità di supporto ematopoietica delle cellule stromali mesenchimali talassemiche. Tuttavia, non ci sono prove dell'effetto diretto del sovraccarico di ferro sulle HSC in BThal. Abbiamo ipotizzato che il sovraccarico di ferro e il conseguente stress ossidativo alterino il metabolismo e la funzione delle HSC. Abbiamo trovato un arricchimento positivo dei geni dell'omeostasi del ferro nelle HSC dei topi talassemici th3, suggerendo un aumento dell'assorbimento e dell'immagazzinamento del ferro. Coerentemente, abbiamo rilevato alti livelli di ferro reattivo libero nel citoplasma e nei mitocondri di th3 HSC, che correlano con alti livelli di ROS. Di conseguenza, i mitocondri sono alterati, con ridotta massa e attività. I progenitori multipotenti th3 hanno ereditato mitocondri disfunzionali poiché la correzione dell'attività mitocondriale si è verificata nella transizione verso progenitori più differenziati. In linea con la disfunzione mitocondriale, le HSC th3 hanno una ridotta produzione di ATP mediante OXPHOS e dipendono dalla glicolisi. La riduzione in vivo dei ROS mitocondriali ha ripristinato l'attività e il metabolismo mitocondriali e ha aumentato la frequenza e la quiescenza delle HSC th3, dimostrando così che lo stress ossidativo è la causa della disfunzione mitocondriale e dei potenziali difetti delle HSC. È importante sottolineare che la somministrazione in vivo di ferro destrano a topi wt ha generato eccesso di ferro intracellulare e stress ossidativo mitocondriale e una ridotta attività mitocondriale nelle HSC, indicando che il sovraccarico di ferro da solo è sufficiente per compromettere i mitocondri. Il nostro studio rivela che il sovraccarico di ferro ha un impatto diretto sul metabolismo delle HSC inducendo stress ossidativo e disfunzione mitocondriale. Le alterazioni dell'attività mitocondriale e del profilo metabolico, in risposta al sovraccarico di ferro, potrebbero alterare la funzione delle HSC. Questa ricerca aggiungerà nuove informazioni sul ruolo del ferro nella regolazione del metabolismo delle HSC e fornirà nuove conoscenze utili per migliorare le condizioni cliniche caratterizzate da sovraccarico di ferro, come BThal.

Mitochondrial activity and metabolism significantly control hematopoietic stem cell (HSC) function and fate. HSCs change the metabolic state in response to stress signals, such as reactive oxygen species (ROS), which drive HSC entry into cell cycle accompanied by increased mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) and glycolysis. However, excessive accumulation of ROS results in oxidative damage of cellular organelles, including mitochondria. Iron is one of the sources of ROS and HSCs can uptake iron but little is known about the effects of iron on HSC metabolism. Recently, we demonstrated an impaired function of HSCs in β-Thalassemia (BThal), a condition of systemic iron overload (IO). We also observed that IO reduces the hematopoietic supportive capacity of BThal BM mesenchymal stromal cells. However, there is no evidence of the direct effect of IO on HSCs in BThal. We hypothesized that IO and the resulting oxidative stress could alter HSC metabolism and function. We found a positive enrichment of iron homeostasis genes in HSCs from thalassemic th3 mice, suggesting increased iron uptake and storage. Consistently, we detected high levels of free reactive iron in the cytoplasm and in mitochondria of th3 HSCs, correlating with high ROS levels. As a result, mitochondria are impaired, with low mass and activity. Interestingly, th3 multipotent progenitors inherited dysfunctional mitochondria since the rescue of mitochondrial activity occurred in the transition to more committed progenitors. In line with mitochondrial dysfunction, th3 HSCs had reduced OXPHOS-derived ATP and relied on glycolysis. In vivo reduction of mitochondrial ROS rescued mitochondrial activity and metabolism, and increased th3 HSC frequency and quiescence, thus indicating that oxidative stress is the cause of mitochondrial dysfunction and potentially HSC defects. Importantly, in vivo administration of iron dextran to wt mice generated intracellular IO and mitochondrial oxidative stress and decreased mitochondrial activity in HSCs, indicating that IO alone is sufficient to impair mitochondria. Our study unveils that IO directly impacts on HSC metabolism by inducing oxidative stress and mitochondrial dysfunction. Alterations in mitochondrial activity and metabolic profile, in response to IO, are expected to alter HSC function. This research will add novel insight about the role of iron in regulating HSC metabolism and provide clues for improving clinical conditions associated to IO, such as BThal.