Molecular Genetic Characterization of Acute Lymphoblastic Leukemia with a Poor Prognosis

Abstract

Acute lymphoblastic leukemia (ALL) affects individuals at all ages, with peak incidences in children <4 years and adults >50 years. ALL is broadly categorized into B-cell precursor (BCP) and T-cell ALL with specific clinical features associated with outcome. In contrast to pediatric ALL, which has a favorable prognosis, adult ALL is associated with a much poorer outcome with less than 40% overall survival rates, decreasing with higher age. The presence of specific acquired genetic abnormalities is important for diagnosis, prognostication, and treatment stratification. ALL can be further categorized into subgroups defined by structural or ploidy abnormalities. One such subgroup, hypodiploid ALL (<46 chromosomes) is seen in 5-8% of all cases, and associated with a very dismal prognosis. It can be further subdivided into two distinct genetic and clinical subgroups, namely near-haploidy (24-31 chromosomes) and low hypodiploidy (32-39 chromosomes), and, comprising cases with a more heterogenous background, high hypodiploidy (40-43 chromosomes) and cases with 44 and 45 chromosomes. Near-haploid and low hypodiploid ALL are very rare, comprising less than 1% of BCP ALL, with overall survival rates of <30%.

The general aim of my PhD project has been to characterize ALL patients with a poor prognosis, including adult ALL (article I) and hypodiploid ALL (article II-IV). To investigate the genetic landscape of adult ALL, we performed SNP array analysis on 126 ALL cases. Characteristic deletions seen in pediatric ALL were detected, furthermore, comparison of diagnostic and relapse clonal relationship showed evolution from an ancestral clone in the majority of cases, highlighting similarities in childhood and adult disease. In addition, the analysis revealed several recurrent cryptic genetic events not previously implicated with adult ALL, including the BCAT1, BTLA,

NR3C1, PIK3AP1 and SERP2 genes. In articles II-IV the genetic and epigenetic background of hypodiploid ALL was further investigated using SNP array analysis, exome and RNA sequencing, methylation array analysis and FISH analysis. Characteristic chromosomal patterns were confirmed and subtype specific alterations targeting IKZF3, NF1, FLT3 and TP53 were identified near-haploid and low hypodiploid respectively. Furthermore, due to the specific pattern of CDKN2A deletions in one case, we could conclude that chromosomal loss was the primary event with further microdeletions occurring after the near-haploidization. Combining SNP array and FISH analysis, a sublconal pattern was detected in three cases harboring >79 chromosomes, showing a possible hypodiploid origin due to the extensive loss of heterozygosity identified in such cases. That all three cases harbored TP53 mutations emphasized similarities to low hypodiploid ALL. In conclusion, screening for specific genetic abnormalities routinely in the clinic may improve prognostication and treatment stratification in cases with a poor prognosis.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Leukemi kännetecknas av en okontrollerad tillväxt av omogna vita blodkroppar och orsakas av förvärvade genetiska förändringar. Genetiska förändringar eller avvikelser, som är drivande i cancerutvecklingen, uppstår när normala celler delar sig. Identifiering av sådana förändringar på gen-och kromosomnivå är av stor klinisk betydelse. Behandling styrs av vilka genetiska avvikelser som identifieras i leukemicellerna. Akut lymfatisk leukemi (ALL) är en av de vanligaste typerna av leukemi hos barn och uppvisar en god prognos. Vuxna patienter som drabbas har en betydligt sämre prognos.

Hypodiploid ALL (<46 kromosomer), är en sällsynt subgrupp som har en mycket dålig prognos. På kromosomnivå kännetecknas denna subgrupp av massiv kromosomförlust. Normalt finns det 46 kromosomer i kroppens alla celler, men i de sjuka leukemicellerna har patienter med hypodiploid ALL 24-45 kromosomer. Patienter kan vidare delas in i grupper beroende på kromosom - och mutationsprofil, t ex om de har 24-31, 32-39 eller 40-45 kromosomer. Lägre kromosomantal är associerad med en sämre prognos.

Genetiskt bevarar den hypodiploida leukemicellen vissa kromosomer i ”normalt” tillstånd, alltså i två kopior. Resterande kromosomer finns i en kopia. Kromosom 21 är nästan alltid bevarad i två kopior. Förutom detta specifika kromosommönster detekteras ofta en dubblerad klon med två och fyra kopior av alla kromosomer som finns i en och två kopior i ursprungscellen. Det är av stor betydelse att identifiera den ursprungliga hypodiploida klonen för korrekt diagnostik och behandling.

Genetiska studier som använder sig av storskalig sekvensering – next generation sequencing (NGS) – har läst av hela arvmassan och identifierat ett flertal gener som är specifikt muterade i hypodiploida fall. Exempel på detta är gener som ingår i IKAROS-familjen, såsom IKZF2 och IKZF3. Utöver detta har det påvisats att mutationer i en känd gen, TP53, är mycket vanliga i fall som har 32-39 kromosomer. Denna gen arbetar som en vakt i celldelningen och tappar den sin funktion kan cancercellen överleva och växa okontrollerat. Medfödda TP53-mutationer är kopplade till Li Fraumeni syndrom (LFS), ett ärftligt tillstånd som även höjer risken för att få andra cancertyper. Cirka hälften av barnfallen som har 32-39 kromosomer bär på medfödda TP53-mutationer, medan vuxna bär på förvärvade TP53-mutationer. Fall med 40-45 kromosomer skiljer sig åt genetiskt och uppvisar inte samma distinkta genetiska profil. Inga tidigare studier har således specifikt undersökt sådana fall med verktyg som NGS.

Syftet med mitt avhandlingsarbete har varit att kartlägga genetiska förändringar hos patienter med en dålig prognos. I avhandlingens första delarbete (artikel I) undersöktes benmärgs- eller blodprover från 126 vuxna med ALL. I denna studie användes ”SNP array”, en metod som detekterar förändringar i leukemicellerna. Gener i flera kopior, eller få kopior, kan följaktligen identifieras. Jag fann återkommande genetiska förändringar i gener som visat sig vara cancerdrivande i ALL hos barn såsom förlust av CDKN2A, IKZF1, PAX5 och EBF1. Jag kunde även i 2-6% av fallen identifiera genförluster i tidigare fem okända gener, och utöver detta påvisa att återfallsmekanismer är genetiskt lika i barn och vuxen ALL.

I de tre övriga artiklarna (II- IV) undersöktes hypodiploida fall, både barn och vuxna från Sverige och England. Jag bekräftade typiska kromosommönster och genetiska profiler i en populationsbaserad studie (artikel IV). Att ”SNP array” är ett känsligt verktyg för att korrekt klassificera den ursprungliga hypodiploida klonen visas i artiklarna II/III. Genom upptäckten av ett speciellt mönster i en genförlust hos en patient kunde detta verktyg påvisa att kromosomförlust var den primära – dvs den första och troligvis viktigaste – genetiska händelsen. I delarbete III använde jag mig av NGS för att läsa av mutationer i arvsmassan. Jag fann mutationer i kända gener som IKZF2, IKZF3 och TP53. Dessutom studerades DNA-metylering – detta är en kemisk modifikation som ger förändringar i aktiviteten av gener. Jag visade att detta genetiska fenomen inte påverkade uttrycket av gener i en kopia eller i två kopior i hypodiploida fall i jämförelse mot kontrollgrupper med 46 kromosomer. Däremot kunde jag visa att uttrycket av gener i två kopior var högre i hypodiploida fall i jämförelse mot kontrollgrupper.

I studie III, kunde jag urskilja ett genetiskt mönster i tre fall som hade fler än 80 kromosomer. Resultat från ”SNP array” visade att många kromosomer i dessa tre fall hade vid ett tillfälle varit nere i en hypodiploid punkt med möjligtvis 32-45 kromosomer. Genom att kombinera ”SNP array” och cytogenetiska verktyg som tillåter fluorescerande infärgning av kromosomer, ”FISH”-analys, kunde jag räkna antalet kromosomer i leukemicellerna och påvisa ett mönster av kromosomal instabilitet. Troligtvis har cancerevolutionen påbörjats med kromosomförlust, och därefter har dubblering skett. Således går det inte att indela dessa patienter som i en specifik subgrupp på grund av det instabila kromosommönstret. Jag fann dessutom förvärvade TP53-mutationer i de tre fallen. Kliniskt är det viktigt att undersöka sådana fall som inte har ”typiska” kromosommodaltal för TP53-mutationer. Det kan visa sig att patienter som kategoriserats i en annan subgrupp egentligen bör behandlas som hypodiploid ALL med högriskbehandling. Av denna anledning bör mutationsprofil vara viktigare än kromosommodaltal i dessa fall.

Sammanfattningsvis har jag i mitt avhandlingsarbete undersökt fall med en dålig prognos. Få stora studier har fokuserat på den genetiska bakgrunden i vuxen-ALL. Jag har påvisat att vuxna och barn bär på genetiska förändringar som liknar varandra. Vidare har resultaten från studierna i mitt avhandlingsarbete ökat förståelsen för hypodiploid ALL. Genetiska analyser på specifika gener som är kopplade till prognos kan förhoppningsvis leda till en bättre behandling av vuxen-ALL och hypodiploid ALL och möjliggöra utvecklingen av nya behandlingsmetoder.

• author: Safavi, Setareh
• supervisor: Kajsa Paulsson; Bertil Johansson
• opponent: Dr Irving, Julie, Northern Institute for Cancer Research, Newcastle University Newcastle upon Tyne, United Kingdom
• organization: Division of Clinical Genetics; BioCARE: Biomarkers in Cancer Medicine improving Health Care, Education and Innovation
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Clinical Laboratory Medicine
• keywords: Acute lymphoblastic leukemia, hypodiploidy, adult acute lymphoblastic leukemia
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2015:94
• pages: 193 pages
• defense location: Belfragesalen BMC D15, Klinikgatan 32, Lund.
• defense date: 2015-10-16 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-7619-173-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 7e9975c7-996d-4ab9-9bed-4b30cee2bd28 (old id 8045790)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:35:32
• date last changed: 2019-11-04 10:24:07