Dynamically adjusted cell fate decisions and resilience to mutant invasion during steady-state hematopoiesis revealed by an experimentally parameterized mathematical model

生物 造血 细胞生物学 干细胞 利基 祖细胞 突变体 参数化复杂度 造血干细胞 过程(计算) 细胞命运测定 系统生物学 计算生物学 计算机科学 遗传学 生态学 算法 基因 操作系统 转录因子
作者
Natalia L. Komarova,Chiara Rignot,Angela G. Fleischman,Dominik Wodarz
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:121 (38)
标识
DOI:10.1073/pnas.2321525121
摘要

A major next step in hematopoietic stem cell (HSC) biology is to enhance our quantitative understanding of cellular and evolutionary dynamics involved in undisturbed hematopoiesis. Mathematical models have been and continue to be key in this respect, and are most powerful when parameterized experimentally and containing sufficient biological complexity. In this paper, we use data from label propagation experiments in mice to parameterize a mathematical model of hematopoiesis that includes homeostatic control mechanisms as well as clonal evolution. We find that nonlinear feedback control can drastically change the interpretation of kinetic estimates at homeostasis. This suggests that short-term HSC and multipotent progenitors can dynamically adjust to sustain themselves temporarily in the absence of long-term HSCs, even if they differentiate more often than they self-renew in undisturbed homeostasis. Additionally, the presence of feedback control in the model renders the system resilient against mutant invasion. Invasion barriers, however, can be overcome by a combination of age-related changes in stem cell differentiation and evolutionary niche construction dynamics based on a mutant-associated inflammatory environment. This helps us understand the evolution of e.g., TET2 or DNMT3A mutants, and how to potentially reduce mutant burden.
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