Advanced

Leukemia Initiation in MLL-ENL Mediated Leukemogenesis

Ugale, Amol LU (2016) In Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series 2016:19.
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Varje dag producerar vår kropp många miljarder nya blodceller. Dessa celler är livsnödvändiga för att många funktioner i kropp ska fungera. Exempelvis hjälper de till med att skydda oss från sjukdomar, läka skador, och med att transportera syre och avfallsämnen. Blodsystemet (det hematopoetiska systemet) är uppbyggt som en hierarki där hematopoetiska stamceller finns på toppen och stegvis ger upphov till s.k. progenitorer, som är mer och mer begränsade i sin förmåga att producera olika typer av blodceller, och som tillslut differentierar ut och blir mogna blodceller. De flesta av de mogna blodcellerna är kortlivade och behöver därför bytas ut regelbundet och ersättas med nya. Nya blodceller... (More)
Popular Abstract in Swedish

Varje dag producerar vår kropp många miljarder nya blodceller. Dessa celler är livsnödvändiga för att många funktioner i kropp ska fungera. Exempelvis hjälper de till med att skydda oss från sjukdomar, läka skador, och med att transportera syre och avfallsämnen. Blodsystemet (det hematopoetiska systemet) är uppbyggt som en hierarki där hematopoetiska stamceller finns på toppen och stegvis ger upphov till s.k. progenitorer, som är mer och mer begränsade i sin förmåga att producera olika typer av blodceller, och som tillslut differentierar ut och blir mogna blodceller. De flesta av de mogna blodcellerna är kortlivade och behöver därför bytas ut regelbundet och ersättas med nya. Nya blodceller produceras under hela livet från stamcellerna där det är just deras två ”stamcellsförmågor” som gör att de kan upprätthålla denna produktion genom livet; 1) De kan ”självförnya” så att de producerar nya stamceller, och 2) De kan differentiera till mer specialiserade celler.

Genom åren har det gjorts många studier för att förstå utvecklingen av hematopoetiska stam- och progenitorsceller, samt deras differentiering till mogna blodceller. Dessa studier har försett oss med viktig information om hur detta regleras, men också om vad som händer när något går fel. En av de blodsjukdomar som kan uppstå när något går fel är leukemi. Leukemier karakteriseras av att blodceller förändrats och förökar sig okontrollerbart. Man kan tänka sig att förändringen som leder till leukemi skulle kunna ske i ett antal olika celler på olika steg i utvecklingshierarkin – både i stamceller och i progenitorsceller. Den cell som detta sker i och som initierar leukemin kallas för en ”leukemia initiating cell” (leukemiinitierande cell). Beroende på vad detta är för cell kan det leda till olika egenskaper för leukemicellerna. Kunskap om sådana skillnader och vilka celler som har förmågan att initiera leukemier skulle kunna leda till utveckling av bättre behandlingsmetoder mot leukemier, och är därför ett viktigt forskningsområde.

Leukemier som uppstår hos människor har ofta rearrangemang av ”mixed-lineage leukemia” (MLL), vilket innebär att en bit av kromosom 11 har brutits bort och satts ihop med en annan kromosom. Detta är en mutation som kallas för translokation, och som kan leda till att två gener fuserar – ett event som i sin tur kan driva på utvecklingen av en leukemi. I artikel I har vi studerat frågan om vilka celltyper som kan initiera en leukemi genom att skapa en musmodell som uttrycker en sådan fusionsgen som nämns ovan. I denna musmodell med s.k. Mixed Lineage Leukemia-Eleven Nineteen Leukemia (MLL-ENL) kan vi sätta på uttrycket av denna specifika fusionsgen i vilken celltyp vi vill. Vi undersökte vilka olika blodceller som gav upphov till leukemi genom att sätta på uttrycket av MLL-ENL i en rad olika blodcellstyper. Vi såg att leukemin kunde uppstå från flera olika progenitorsceller, men att den även kunde skilja sig åt mellan celltyper som utvecklingsmässigt låg väldigt nära varandra. Oavsett vilken cell som gav upphov till leukemin var det emellertid alltid en leukemi som påverkade en viss grupp av blodceller (de i den myeloida linjen) som uppstod. Överraskande nog upptäckte vi även att leukemin inte kunde uppstå från stamcellerna.

Hos människor ger mutationen vi använde i vår musmodell upphov till leukemier som påverkar flera olika typer av blodcellslinjer (myeloida, lymfoida, eller båda), men i vår modell kunde vi som nämnt bara se myeloida leukemier. Skillnaden mellan observationerna i mus och människa här skulle kunna bero på en rad olika faktorer, t.ex. skillnader i mutationens förmåga att bestämma vilken linje som bildas, men den skulle även kunna bero på vilken linjeförmåga de leukemiinitierande cellerna har från början. För att studera detta utförde vi ytterligare undersökningar på fler celltyper i vår MLL-EML-musmodell (artikel II) och såg att progenitorsceller som var begränsade till att bara kunna ge lymfoida celler inte kunde initiera leukemin. Förutom detta såg vi också att närvaro/kombination av andra specifika mutationer kunde påverka hur snabbt leukemin uppstod, och att ordningen av de olika mutationerna kunde påverka linjetilldelningen. Nya rön har föreslagit att man skulle kunna behandla leukemier genom att omvandla en celltyp till en annan och därigenom differentiera ut och få bort leukemicellerna, men våra resultat här visar att en sådan metod även skulle kunna medföra en risk att man omvandlar celler som normalt inte kan ge upphov till leukemier till sådana som kan det, och att man därför bör vara väldigt aktsam vid användandet av sådana strategier.

Slutligen studerade vi även ribosombiogenesens roll i bildandet av leukemi. Ribosombiogenes, som är processen där ribosomer bildas, är mycket konserverad mellan olika arter och nödvändig för celltillväxt och proliferation (celldelning). Tidigare studier har visat att störningar i denna process leder till en mängd ribosomstressresponser som i sin tur föreslagits kunna utnyttjas vid behandling av leukemi. I vår studie såg vi att ribosomala stressresponser visserligen kunde fördröja initieringen av leukemi, men att de inte hade några starka effekter på leukemier som redan utvecklats, och därmed borde ha en väldigt begränsad potential som behandlingsalternativ.

Sammanfattningsvis belyser vårt arbete viktiga delar av både utveckling och behandlingsmöjligheter för leukemi. Vi har bl.a. visat att leukemiinitiering är begränsad till ett smalt differentieringsfönster inom den tidiga blodcellsutvecklingen, att MLL-ENL-medierad leukemiuppkomst inte kan initieras från de hematopoetiska stamcellerna, och att ribosomala stressresponser inte påverkar redan utvecklad leukemi. Dessa upptäckter ger viktig information om såväl potentiella mål, risker, som möjligheter kopplade till utvecklande och användbarhet av olika leukemibehandlingsalternativ. (Less)
Abstract
In the blood system, knowledge on the regulation of hematopoietic stem cells (HSCs) and their immature progeny has provided roadmaps of differentiation. Such information can also have a value to understand the etiology of hematological cancers, since clinical heterogeneity and prognostic therapeutic outcomes have been proposed to associate with the specific developmental stage from which the transformed cells originate. Chromosomal rearrangements involving the mixed lineage leukemia-1 (MLL1) gene result in chimeric fusion proteins that can act as transcriptional regulators, and represents a family of recurrent initiating events in human leukemia. MLL1 translocations can result in diseases with different phenotypic representation, but the... (More)
In the blood system, knowledge on the regulation of hematopoietic stem cells (HSCs) and their immature progeny has provided roadmaps of differentiation. Such information can also have a value to understand the etiology of hematological cancers, since clinical heterogeneity and prognostic therapeutic outcomes have been proposed to associate with the specific developmental stage from which the transformed cells originate. Chromosomal rearrangements involving the mixed lineage leukemia-1 (MLL1) gene result in chimeric fusion proteins that can act as transcriptional regulators, and represents a family of recurrent initiating events in human leukemia. MLL1 translocations can result in diseases with different phenotypic representation, but the underlying reason for why seemingly similar translocation products can cause myeloid, lymphoid or mixed leukemia remain unknown.

Various hematopoietic progenitor cells can serve as a candidate cells for transformation and we addressed this issue of “leukemia initiating competence” in article I, where we developed a conditional (doxycycline inducible) transgenic mouse model of the human chimeric transcription factor Mixed Lineage Leukemia-Eleven Nineteen Leukemia (MLL-ENL). Prospective isolations of hematopoietic progenitor cells at distinct stages of differentiation, followed by their adoptive transfer under continuous fusion gene expression permitted us to monitor their leukemia-initiation and competence. In our work, acute myeloid leukemia (AML) could initiate from several different progenitor subsets. Our study highlighted the importance of using highly defined cell types, as developmentally close myeloid progenitor subpopulations showed dramatically different leukemic competence. HSCs however, were resistant to leukemic transformation and displayed reduced proliferative and repopulating capabilities. In addition, we failed to observe lymphoid leukemia development, which is consistent with most experimental mouse models trying to assess MLL-fusion mediated transformation. This seemingly discrepant finding when compared to human leukemias might be the result of underlying factors such as the instructive/permissive nature of MLL-fusions and/or the normal differentiation potential of the target cell. To this end, we in article II demonstrated that leukemia competence in the mouse was lost upon definitive lymphoid commitment, as only very early lymphoid progenitors (DN1 T cells and BLPs) could develop leukemia; in those cases by evoking a latent myeloid potential of the target cells which ultimately resulted in AML. We further demonstrated that not only could co-occurring mutations impact on the latency of leukemia development, but also that the sequence by which the mutations are acquired can have significant influence on the lineage representation of the developing leukemia. As a final part of this work, we assessed the impact of transdifferentiation on leukemia initiation and found that C/EBPB-mediated transdifferentiation could result in acquisition of leukemia competence in otherwise leukemia incompetent lymphoid committed cells. As transdifferentiation recently has been proposed for therapeutic approaches, these results raise concerns regarding their general feasibility.

Finally, in article III, we evaluated the impact of the ribosomal stress pathway on leukemia initiation, a mechanism that potentially could represent a general approach to target oncogenic cells. We demonstrated that genetic targeting of the 5S RNP-MDM2-TRP53 ribosomal stress pathway delays leukemia initiation significantly, but did not provide significant survival advantages in already established leukemia. Therefore, the ribosomal stress pathway holds limited therapeutic value for AML treatment. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Prof Armstrong, Scott, Memorial Sloan Kettering Cancer Center
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Hematopoiesis, Luekemia, Cell of origin, Leukemia Initiation
in
Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
volume
2016:19
pages
84 pages
publisher
Division of Molecular Hematology (DMH)
defense location
Belfragesalen BMC D15, Klinikgatan 32, Lund.
defense date
2016-02-24 13:00
ISSN
1652-8220
ISBN
978-91-7619-245-0
language
English
LU publication?
yes
id
d563868c-e3f2-444f-b2de-00b967439351 (old id 8812371)
date added to LUP
2016-02-29 13:38:00
date last changed
2016-09-19 08:44:45
@phdthesis{d563868c-e3f2-444f-b2de-00b967439351,
  abstract     = {In the blood system, knowledge on the regulation of hematopoietic stem cells (HSCs) and their immature progeny has provided roadmaps of differentiation. Such information can also have a value to understand the etiology of hematological cancers, since clinical heterogeneity and prognostic therapeutic outcomes have been proposed to associate with the specific developmental stage from which the transformed cells originate. Chromosomal rearrangements involving the mixed lineage leukemia-1 (MLL1) gene result in chimeric fusion proteins that can act as transcriptional regulators, and represents a family of recurrent initiating events in human leukemia. MLL1 translocations can result in diseases with different phenotypic representation, but the underlying reason for why seemingly similar translocation products can cause myeloid, lymphoid or mixed leukemia remain unknown. <br/><br>
Various hematopoietic progenitor cells can serve as a candidate cells for transformation and we addressed this issue of “leukemia initiating competence” in article I, where we developed a conditional (doxycycline inducible) transgenic mouse model of the human chimeric transcription factor Mixed Lineage Leukemia-Eleven Nineteen Leukemia (MLL-ENL). Prospective isolations of hematopoietic progenitor cells at distinct stages of differentiation, followed by their adoptive transfer under continuous fusion gene expression permitted us to monitor their leukemia-initiation and competence. In our work, acute myeloid leukemia (AML) could initiate from several different progenitor subsets. Our study highlighted the importance of using highly defined cell types, as developmentally close myeloid progenitor subpopulations showed dramatically different leukemic competence. HSCs however, were resistant to leukemic transformation and displayed reduced proliferative and repopulating capabilities. In addition, we failed to observe lymphoid leukemia development, which is consistent with most experimental mouse models trying to assess MLL-fusion mediated transformation. This seemingly discrepant finding when compared to human leukemias might be the result of underlying factors such as the instructive/permissive nature of MLL-fusions and/or the normal differentiation potential of the target cell. To this end, we in article II demonstrated that leukemia competence in the mouse was lost upon definitive lymphoid commitment, as only very early lymphoid progenitors (DN1 T cells and BLPs) could develop leukemia; in those cases by evoking a latent myeloid potential of the target cells which ultimately resulted in AML. We further demonstrated that not only could co-occurring mutations impact on the latency of leukemia development, but also that the sequence by which the mutations are acquired can have significant influence on the lineage representation of the developing leukemia. As a final part of this work, we assessed the impact of transdifferentiation on leukemia initiation and found that C/EBPB-mediated transdifferentiation could result in acquisition of leukemia competence in otherwise leukemia incompetent lymphoid committed cells. As transdifferentiation recently has been proposed for therapeutic approaches, these results raise concerns regarding their general feasibility. <br/><br>
Finally, in article III, we evaluated the impact of the ribosomal stress pathway on leukemia initiation, a mechanism that potentially could represent a general approach to target oncogenic cells. We demonstrated that genetic targeting of the 5S RNP-MDM2-TRP53 ribosomal stress pathway delays leukemia initiation significantly, but did not provide significant survival advantages in already established leukemia. Therefore, the ribosomal stress pathway holds limited therapeutic value for AML treatment.},
  author       = {Ugale, Amol},
  isbn         = {978-91-7619-245-0},
  issn         = {1652-8220},
  keyword      = {Hematopoiesis,Luekemia,Cell of origin,Leukemia Initiation},
  language     = {eng},
  pages        = {84},
  publisher    = {Division of Molecular Hematology (DMH)},
  school       = {Lund University},
  series       = {Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series},
  title        = {Leukemia Initiation in MLL-ENL Mediated Leukemogenesis},
  volume       = {2016:19},
  year         = {2016},
}