Unveiling the role of Slc7a7 in hematopoiesis

Abstract

[eng] Lysinuric Protein Intolerance (LPI) is a rare autosomal recessive disorder caused by mutations in the SLC7A7 gene, which encodes the y+LAT1 transporter. LPI presents a pleiotropic phenotype that varies among patients, with common features including immunological and hematological disorders such as microcytic anemia, pulmonary alveolar proteinosis, and hemophagocytic lymphohistiocytosis. Furthermore, advanced stages of the disease often lead to chronic kidney disease and end-stage renal failure. The mechanism behind the development of the hematological and immunological abnormalities in patients with LPI remains elusive due to the impossibility of analyzing these clinical aspects in human patients with LPI. In the first chapter of this thesis, we utilized a global Slc7a7 knockout mouse model to investigate the hematological aspects of LPI. We observed reduced mean corpuscular volume in circulating erythrocytes, though not reaching clinical anemia levels. Prolonged periods of low protein diet exacerbated this phenotype, resulting in diminished hematocrit and mean corpuscular hemoglobin. To investigate a plausible mechanism for the changes observed in red blood cells we investigated the process of red blood cell generation, and observed that Slc7a7 knockout mice showed diminished erythropoiesis, a trait not rescued by bone marrow transplantation. Intriguingly, iron overload was evident in these mice, potentially due to reduced iron utilization during erythropoiesis. Notably, we established that erythropoietin is the main cause of diminished red blood cell production as exogenous erythropoietin administration not only restores normal erythropoiesis but also iron homeostasis. Finally, we discovered that renal erythropoietin-producing cells express Slc7a7, though its expression was dispensable for erythropoietin production. In the second chapter, we tackled how Slc7a7 expression affects mature cell development. To do so, we first phenotypically analyzed mature cell population within the bone marrow and observed that Slc7a7 knockout mice show increased T cell numbers and decreased B cell numbers. Single-cell profiling unveiled the expression of Slc7a7 in a subset of B cells and neutrophils, with the absence of the transporter leading to significant transcriptional changes in the latter. Subsequently, bone marrow transplant experiments shed light in the interplay between the extrinsic and the intrinsic factor derived of Slc7a7 absence. While the T cell phenotype appeared to result

solely from metabolic alterations, the neutrophil phenotype appeared to arise from both Slc7a7 absence and changes in the bone marrow microenvironment.

Collectively, our findings offer potential mechanisms underlying the immunological and hematological alterations seen in human LPI patients. Furthermore, we demonstrate that Slc7a7 absence in neutrophils exacerbates inflammatory responses, shedding light on the complex pathophysiology of LPI.

[cat] La Lisinuria amb Intolerància a les proteïnes (LPI) és una malaltia rara amb herència autosòmica recessiva causada per mutacions en el gen SLC7A7, que codifica pel transportador y+LAT1. La LPI presenta un fenotip pleiotròpic que varia entre els pacients, amb característiques comunes com ara trastorns immunològics i hematològics com anèmia microcítica, proteinosi alveolar pulmonar i limfohistiocitosis hemofagocítica. A més, en etapes avançades de la malaltia, sovint es desenvolupa una insuficiència renal crònica i una insuficiència renal terminal. Comprendre els mecanismes primaris de les alteracions hematològiques i immunològiques dels pacients amb LPI ha estat un gran repte a causa de la manca de dades clíniques. En el primer capítol d'aquesta tesi, hem utilitzat un model de ratolí knockout global de Slc7a7 per investigar els aspectes hematològics de la LPI. Hem observat una reducció del volum corpuscular mitjà dels eritròcits circulants, encara que no es va arribar a nivells d'anèmia clínica. Períodes prolongats de dieta baixa en proteïnes van empitjorar aquest fenotip, amb una disminució de l’hematocrit i l’hemoglobina corpuscular mitjana. La nostra investigació sobre la generació de glòbuls vermells ha revelat una eritropoesi disminuïda en els ratolins knockout de Slc7a7, un tret que no es va poder millorar amb el trasplantament de medul·la òssia. De manera intrigant, es va evidenciar una sobrecàrrega de ferro en aquests ratolins, potser a causa d'una menor utilització del ferro durant l'eritropoesi. Cal destacar que l'administració exògena d'eritropoietina va restablir l'eritropoesi normal i l'homeòstasi del ferro. A més, vam descobrir que les cèl·lules renals productores d'eritropoietina expressen Slc7a7, tot i que la seva expressió no era indispensable per a la producció d’aquesta hormona. En el segon capítol, hem explorat l'impacte de l'expressió de Slc7a7 en la producció de cèl·lules mare. L'anàlisi fenotípic inicial de les poblacions de cèl·lules mare a la medul·la òssia va revelar un augment del nombre de cèl·lules T i una disminució del nombre de cèl·lules B en els ratolins knockout de Slc7a7. L’anàlisi de cèl·lules individuals ha revelat l'expressió de Slc7a7 en una subpoblació de cèl·lules B i neutròfils. L'absència del transportador provoca canvis significatius en la transcripció gènica d’aquesta subpoblació cel·lular. Els experiments de trasplantament de medul·la òssia van proporcionar indicis sobre la interacció entre els factors intrínsecs i extrínsecs derivats de la deficiència de Slc7a7. Mentre que el fenotip de les cèl·lules T semblava derivar

només de les alteracions metabòliques, el fenotip dels neutrofils semblava sorgir tant de l'absència de Slc7a7 com de canvis en el microambient de la medul·la òssia. En conjunt, les nostres troballes ofereixen possibles mecanismes que ajuden a entendre les anormalitats immunològiques i hematològiques observades en els pacients amb LPI. A més, demostrem que l'absència de Slc7a7 en els neutrofils agreuja les respostes inflamatòries, contribuint a entendre millor la complexa fisiopatologia de la LPI.