Diamond-Blackfan Anemia: Erythropoiesis Lost in Translation

Abstract

Diamond-Blackfan anemia (DBA) is a congenital erythroid aplasia that usually presents as macrocytic anemia during infancy. Linkage analysis suggests that at least four genes are associated with DBA of which two have been identified so far. The known DBA genes encode the ribosomal proteins S19 and S24 accounting for 25% and 2% of the patients respectively. This study shows that RPS19 gene transfer improves the proliferation defect and erythroid development in RPS19 deficient DBA patient CD34+ cells in vitro. These results indicate that RPS19-deficient DBA patients are potential candidates for gene therapy. We next created two disease models for RPS19-deficient DBA. We were able to induce a DBA phenotype in normal cells by reducing RPS19 expression using RNA interference (RNAi) to silence RPS19 expression in human CD34+ BM cells. Analogous in vitro DBA models were created using erythroid leukemia TF-1 and UT7 cell lines that harbor Doxycycline-dependent RNAi-mediated RPS19 silencing. When induced to silence RPS19 expression, TF-1 cell proliferation decreased together with a marked reduction in the number of erythroid cells. The DBA disease model cell lines were next used in a study showing that RPS19-deficient TF-1 cells and DBA patient cells share a defect in 18S rRNA processing which ultimately hampers ribosomal 40S subunit maturation. We predict that these RPS19-deficient cell lines can be used for further mechanistic studies on RPS19 deficiency in erythropoiesis. The study is concluded by a discussion where links between ribosomal proteins and erythropoiesis are reviewed together with considerations regarding future directions of DBA research.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Min forskning har syftat till att bota och förstå blodbristsjukdomen Diamond-Blackfan anemi (DBA). DBA är en sjukdom som upptäcks under första levnadsåret då barnet uppvisar symptom som trötthet och blekhet, p g a lågt hemoglobin blodvärde (Hb). Det låga blodvärdet beror på att nybildningen av röda blodkroppar är nedsatt. Många DBA patienter är kortväxta, en del har medfödda missbildningar och man har även noterat att DBA patienter har en ökad risk att drabbas av vissa typer av cancer bl a akut myeloisk leukemia (AML). Det föds ett till två barn per år i Sverige med DBA och det finns nu cirka 25 barn och ungdomar under 20 års ålder med sjukdomen. För att överleva är patienterna först beroende av regelbundna infusioner av nya röda blodkroppar. Behandlingen inleds med kortisonbehandling som av en okänd anledning fungerar hos 40% av patieterna. Ytterligare 20% blir på ett okänt sätt friska av sig själva, medan de återstående fyrtio procenten är beroende av blodtransfusioner livet ut.



En fjärdedel av DBA patienterna har en mutation i en gen som heter ribosomalt protein S19 (RPS19) som kodar för ett protein som är en komponent i cellens proteinfabrik (ribosomen). Två procent av DBA patienterna har en mutation i genen som kodar för ribosomalt protein S24 (RPS24). DBA patienterna med mutationer i dessa gener får en onormalt låg produktion av RPS19 respektive RPS24. Eftersom båda dessa proteiner är viktiga komponenter i alla cellers proteintillverkning har det varit svårt att förklara varför bildandet av röda blodkroppar är särskilt påverkad. För att kunna studera mekanismerna bakom hur en brist på ett ribosomalt protein leder till brist på röda blodkroppar har jag tillverkat en modell av sjukdomen. Som verktyg har jag använt ett modifierat HIV virus som när det infekterar friska blodceller specifikt hindrar bildandet av RPS19 som är det vanligaste kända proteinet muterat i DBA. Efter infektion med viruset beter sig tidigare friska blodceller från benmärgen som celler från en DBA patient, vilket har gett mig möjlighet att exakt studera de händelser i cellen som minskningen av proteinet för med sig. Med hjälp av de här cellerna har jag kunnat se att celler som har brist på RPS19 får en defekt tillverkning av den mindre halvan av ribosomen (proteinfabriken) som ansvarar för initiering och reglering av proteinsyntesen. Dessa resultat tyder på att blodbristen och den ökade risken för cancer i DBA orsakas av en defekt i bildandet av ribosomer. De exakta mekanismerna bakom kan man ännu inte svara på.



För att bota sjukdomen har jag tillverkat ett annat modifierat virus som för med sig ett friskt arvsanlag för RPS19 in i DBA patienters benmärgs celler. Eftersom det är stamceller i benmärgen som ger upphov till alla blodceller räcker det att bota dessa för att bildandet av röda blodkroppar skall bli normalt igen för resten av livet. Jag har på detta sätt lyckas återställa bildandet av röda blodkroppar i odlingar i laboratoriet, men ännu inte kunnat testa om det fungerar även i ett djur eller en människa. Nästa steg är att upprepa dessa experiment i en djurmodell innan kliniska försök kan bli aktuella. Därför försöker jag för tillfället konstruera en mus som lider av en brist på RPS19. Denna djurmodell skall sedan kunna användas både för att göra genterapiförsök och för att studera sjukdomsmekanismer i DBA. Min forskning är viktig för att den kan leda till en metod att bota DBA och öka förståelsen för bakomliggande mekanismer.

• author: Flygare, Johan
• supervisor: Stefan Karlsson
• opponent: MD Liu, Johnson, Feinstein Institute for Medical Research, Schneider Children´s Hospital, New Hyde Park, NY, USA
• organization: Division of Molecular Medicine and Gene Therapy
• publishing date: 2007
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Hematology
• keywords: extracellular fluids, Hematologi, Haematology, RNA interference, Erythropoiesis, Lentiviral vectors, Nucleolus, Diamond-Blackfan anemia, Gene therapy, extracellulära vätskor
• defense location: Segerfalksalen, BMC A10, Sölvegatan 17, Lund
• defense date: 2007-05-18 09:00:00
• external identifiers: scopus:34147144995
• ISBN: 978-91-85559-64-0
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: I Hamaguchi, J Flygare, H Nishiura, AC Brun, A Ooka, T Kiefer, Z Ma, N Dahl, J Richter and S Karlsson. 2003. Proliferation deficiency of multipotent hematopoietic progenitors in ribosomal protein S19 (RPS19)-deficient diamond-Blackfan anemia improves following RPS19 gene transfer. Mol Ther, vol 7 pp 613-622.; J Flygare, T Kiefer, K Miyake, T Utsugisawa, I Hamaguchi, L Da Costa, J Richter, EJ Davey, H Matsson, N Dahl, M Wiznerowicz, D Trono and S Karlsson. 2005. Deficiency of ribosomal protein S19 in CD34+ cells generated by siRNA blocks erythroid development and mimics defects seen in Diamond-Blackfan anemia. Blood, vol 105 pp 4627-4634.; K Miyake, J Flygare, T Kiefer, T Utsugisawa, J Richter, Z Ma, M Wiznerowicz, D Trono and S Karlsson. 2005. Development of cellular models for ribosomal protein S19 (RPS19)-deficient Diamond-Blackfan anemia using inducible expression of siRNA against RPS19. Mol Ther, vol 11 pp 627-637.; J Flygare, A Aspesi, JC Bailey, K Miyake, JM Caffrey, S Karlsson and S Ellis. 2007. Human RPS19, the gene mutated in Diamond Blackfan anemia, encodes a ribosomal protein required for the maturation of 40S ribosomal subunits. Blood, vol 109 pp 980-986.
• id: 8ff88f9d-b83a-49c0-bf72-0915ae00dedb (old id 548586)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:19:19
• date last changed: 2022-01-28 18:50:30