Stem cell evolutionary paradigm and cell engineering

Studying hematopoietic and mesenchymal stem cells for almost three decades revealed some similarities between the stem cell entity and the single-celled eukaryotes exhibiting the anaerobic/facultative aerobic metabolic features. A careful analysis of nowadays knowledge concerning the early eukaryotic evolution allowed us to reveal some analogies between stem cells in the metazoan tissues and the single-celled eukaryotes which existed during the first phase of eukaryotes evolution in mid-Proterozoic era. In fact, it is possible to trace the principle of the self-renewal back to the first eukaryotic common ancestor, the first undifferentiated nucleated cell possessing the primitive, mostly anaerobically-respiring mitochondria and a capacity to reproduction by a simple cell division “à l'identique”. Similarly, the diversification of these single-cell eukaryotes and acquiring of complex life cycle allowed/conditioned by the increase of O2 in atmosphere (and consequently in the water environment) represents a prototype for the phenomenon of commitment/differentiation. This point of view allowed to predict the ex-vivo behavior of stem cells with respect to the O2 availability and metabolic profile which enabled to conceive the successful protocols of stem cell expansion and ex vivo conditioning based on “respecting” this relationship between the anaerobiosis and stemness. In this review, the basic elements of this paradigm and a possible application in cell engineering were discussed.

RésuméQuasiment trois décennies d'études des cellules souches hématopoïétiques et mésenchymateuses nous ont amené à constater les similitudes entre l'entité appelée « cellule souche » et les premiers eucaryotes ayant des propriétés métaboliques anaérobies ou aérobies facultatives. Une analyse approfondie, basée sur les connaissances actuelles concernant l'évolution des premiers eucaryotes permet de reconnaître quelques analogies entre les cellules souches dans les tissus métazoaires et les eucaryotes unicellulaires primitifs datant de la période mi-protérozoïque. Il est possible de tracer le principe de l'autorenouvellement jusqu'au premier ancêtre commun des eucaryotes, la première cellule nucléée non différenciée possédant les mitochondries primitives capables de respiration anaérobie et ayant une capacité de reproduction limitée à une simple division cellulaire « à l'identique ». De façon similaire, la diversification des eucaryotes unicellulaires et l'acquisition du cycle de vie complexe permises/conditionnées par l'augmentation du taux d'O2 dans l'atmosphère (et par conséquent dans le milieu aquatique) représentent le prototype du phénomène d'engagement/différenciation. Cette façon de voir les choses a permis de prévoir le comportement des cellules souches ex-vivo par rapport à la disponibilité d'O2 et à leur profil métabolique et ainsi concevoir des protocoles efficaces de leur expansion ex vivo ou de leur conditionnement avant la greffe. Dans cette revue générale ont été discutés des éléments majeurs de ce paradigme, ainsi que leur application possible dans l'ingénierie tissulaire.