On the Role of the Tumor Suppressor p53 in Leukemic Cell Differentiation

Abstract

Leukemic cells suffer from an impaired ability to differentiate due to inherited or acquired genetic lesions. These genetic changes can sometimes be bypassed with various compounds both in vitro, and, more rarely, in vivo, thus inducing terminal differentiation of the leukemic cells. Differentiation of both leukemic and normal hematopoietic cells is believed to be intimately coupled to cell cycle regulation and proliferation. The aim was therefore to increase the propensity of leukemic cells towards differentiation by overexpressing cell cycle active tumor suppressor genes, and to identify genes essential for differentiation pathways in these cells. The results show that the retinoblastoma protein, an important cell cycle regulating and tumor suppressor molecule, is necessary for induction of differentiation of certain leukemic cells with some agents. Furthermore, the mechanisms of differentiation do not merely depend on cell cycle regulation. The tumor suppressor protein p53 is another pivotal cell cycle regulator which halts the cell cycle in the G1-phase mainly by controlling the activity of the retinoblastoma protein. The present study demonstrates that it is possible to dispose leukemic cells for terminal differentiation by increasing the intracellular concentration of p53 through overexpression of the p53 gene. This was evidenced both by signs of terminal differentiation in response to p53 alone and by an increased sensitivity of p53-expressing cells towards a number of differentiation-inducing compounds. The mechanisms of p53-mediated differentiation do not necessarily rely on p53´s ability to regulate the activity of the retinoblastoma protein and cell cycle progression. Furthermore, p53-independent terminal differentiation is achievable in growth arrested cells in the G1-phase of the cell cycle. G1-phase cell cycle arrest by itself does however not seem to be sufficient to induce any signs of differentiation. Therefore, it is proposed that differentiation and cell cycle regulation are two separately regulated processes.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Den cancerskyddande genen p53 är av betydelse för att göra leukemiceller friska.



Blodbildning.



Blodceller är nödvändiga för vårt välbefinnande och vår överlevnad. Det finns flera olika typer med egna specialiserade funktioner. Så krävs t. ex. röda blodkroppar för syresättning och vita blodkroppar för att bekämpa infektioner. Blodcellerna har begränsad överlevnad; när de gamla tjänat ut ersätts de av nya. Nyproduktionen (blodbildningen) sker i benmärgen. Ett fåtal stamceller (omogna ursprungsceller eller "stammödrar" till alla andra blodceller) ger där upphov till färdiga blodceller genom celldelningar och mognad. Stamcellerna kan också producera kopior av sig själva för att blodbildningen inte ska ta slut under vår livstid. Blodbildningen styrs med hormoner och andra molekyler som reglerar överlevnad, celldelning och mognad hos blodcellerna. När blodcellerna är färdigmogna slutar de att dela sig. Denna uppenbara koppling mellan fullmognad och upphävd celldelning gör att det anses att reglering av celldelningsförmågan är en förutsättning för normal mognad. Det har till och med föreslagits att mognad är en direkt följd av bromsad eller upphävd celldelning.



Leukemi.



Vid leukemi (blodcancer) fungerar inte blodbildningen normalt. Orsaken är skador på generna (arvsmassan) i en stamcell. De genetiska förändringarna blir till slut så många eller så allvarliga att balansen mellan överlevnad, celldelning och mognad störs och leukemi uppstår. De genetiska skadorna kan vara nedärvda eller uppkomna genom t. ex. radioaktiv strålning. Leukemi är en ovanlig sjukdom, men i princip räcker det med att en enda stamcell får en ökad överlevnads- eller celldelningsförmåga kombinerat med en bristande förmåga till mognad för att sjukdomen ska utvecklas. Detta leder så småningom till en ansamling av omogna leukemiceller som antingen överlever bättre eller delar sig fortare än normala celler. Efter hand trängs normal blodbildning undan av leukemicellerna. På så sätt uppkommer en brist på normala blodceller, vilket orsakar symtomen vid leukemi.



Cancerskyddande gener.



Cancerskyddande gener (tumörsuppressorgener) är av betydelse för att förhindra uppkomst av cancer. Gener fungerar som mallar för bildningen av proteiner. Proteinerna i sin tur utför direkt olika sysslor inuti cellen. Således ger cancerskyddande gener upphov till cancerskyddande proteiner. Om dessa går förlorade genom nedärvda eller uppkomna skador ökar risken för cancer, inklusive leukemi. I mitten av åttiotalet identifierades den första cancerskyddande genen (Retinoblastom-genen). Idag finns ett femtontal cancerskyddande gener identifierade. Cancerskyddande proteiner förhindrar cancerutveckling genom att verka som bromsklossar på celldelningen. De kan också se till att celler med genetiska skador dör, vilket också förebygger cancer. Dessa funktioner av cancerskyddande proteiner är relativt väl kartlagda. Mindre är känt om deras roll vid cellmognad. Mognad och bromsad celldelning går hand i hand (se ovan). Därför är det av intresse att undersöka cancerskyddande proteiners roll vid mognadsprocessen. På detta sätt skulle nya idéer till behandling av leukemi kunna komma fram. p53-genen är en cancerskyddande gen med stor betydelse för att förhindra cancer. Namnet härrör från att p53-proteinet har en molekylvikt på 53 kilogram per mol (p står för protein). I mer än hälften av alla elakartade tumörer fungerar inte p53-proteinet som det ska. Normalt ser p53 till att en cell med skadade gener tillfälligt slutar att dela sig för att ge tid för reparation. Om skadan på generna är för svår att reparera kan p53 istället framkalla självmord i den aktuella cellen. Syftet är detsamma, nämligen att förhindra förökning av genetiskt förändrade celler med cancerbenägenhet. Retinoblastom-genen är en annan viktig cancerskyddande gen. Den har fått sitt namn av att den saknas vid retinoblastom, en ovanlig form av ögoncancer hos barn. Förlust av retinoblastom-genen (och därmed retinoblastom-proteinet) orsakar denna cancersjukdom. Retinoblastom-proteinet förhindrar celldelning och är också nödvändigt för mognad (bildning) av röda blodkroppar.



Syftet med avhandlingen.



Vid leukemi är de cancerskyddande proteinerna (t. ex p53-proteinet och retinoblastom-proteinet) ofta skadade vilket bidrar till uppkomsten av sjukdomen. Nuvarande behandling går framför allt ut på att döda leukemicellerna med cellgifter. I enstaka fall har också behandling med ämnen som gör att leukemicellerna mognar varit framgångsrik. Trots stora behandlingsframsteg under de senaste decennierna kan emellertid en stor del av patienterna fortfarande inte botas. Därför måste nya behandlingsformer hittas. Syftet med min avhandling är att hitta nya och bättre sätt att framkalla mognad av leukemiceller. Detta skulle göra leukemicellerna friska och chanserna till bot skulle kunna ökas. Därför undersöktes om mognadsbehandling av leukemiceller kan förbättras genom att öka mängden cancerskyddande proteiner inuti leukemicellerna. Ett delmål var att undersöka vilken betydelse retinoblastom-proteinet har för mognadsprocessen.



Resultat.



Retinoblastom-proteinet är nödvändigt för att vissa leukemiceller ska mogna; förmågan till mognad försämras drastiskt när leukemicellernas egen bildning av retinoblastom-protein hämmas på konstgjord väg (Artikel I). Leukemicellers benägenhet för mognad kan ökas genom att höja mängden p53-protein inuti cellerna (Artikel II-V). Den ökade benägenheten för mognad sker på två sätt. För det första framkallar den förhöjda mängden p53-protein i sig själv mognad av en del celler. För det andra är det betydligt lättare att framkalla mognad i p53-innehållande leukemiceller än i leukemiceller som saknar normalt p53. Den p53-beroende mognadsprocessen beror inte på hämmad celldelning (Artikel IV och V). Detta är ett oväntat fynd med tanke på p53s funktion som celldelningshämmare. Det är också förvånande mot bakgrund av rådande uppfattning att reglering av celldelningsförmågan är en förutsättning för mognadsprocessen. Därför kan det spekuleras i att mognad och celldelning är två separata och oberoende processer.



Framtidsutsikter.



Upptäckten att normalt p53-protein är viktigt för att göra leukemiceller friska genom mognadsbehandling kan få betydelse för framtida leukemibehandling. Det har nyligen visats att skadat p53-protein inuti en cell kan repareras med olika knep. Med tanke på att leukemiceller hos patienter ofta innehåller skadat p53-protein, öppnar sig här möjligheten att reparera p53-proteinet och återställa normal p53-funktion. Detta i sin tur skulle kunna öka effektiviteten av mognadsbehandling. Eftersom p53-proteinet också kan framkalla celldöd och bromsad celldelning är det sannolikt att även cellgiftsbehandling kan effektiviseras på liknande sätt. Genom att hitta leukemier med skadat p53-protein och sedan reparera p53-proteinet skulle chanserna till bot kunna ökas. I kombination med annan mognadsbehandling och vanlig cellgiftsbehandling kan därför p53 komma att få betydelse vid behandling av leukemi.

• author: Ehinger, Mats
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Wiman, Klas G
• organization: Tumor microenvironment
• publishing date: 1997
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Hematology
• keywords: Haematology, p53, Tumor Suppressor Genes, Leukemia, Differentiation, extracellular fluids, Hematologi, extracellulära vätskor
• pages: 172 pages
• defense location: 1 p.m., October 17 1997, Lecture Hall 1, University Hospital, Lund
• defense date: 1997-10-17 13:00:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEMA--1048--SE
• ISBN: 91-628-2685-9
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Division of Hematology and Transfusion Medicine (013041100), Pathology, (Lund) (013030000)
• id: 156d2768-fa22-4846-84f3-898b33c70492 (old id 29574)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:40:38
• date last changed: 2018-11-21 21:06:27