Štúdium molekulárnej patofyziológie primárnych erytrocytóz

Mgr. Barbora KRÁĽOVÁ

Doctoral thesis

Study of Molecular Pathophysiology of Primary Erythrocytoses

Abstract:

Poruchy hematopoézy prípadne erytropoézy, vrodené aj získané, sa môžu prejaviť v závažných zmenách počtu a aktivity krvných elementov. Nakoľko erytropoéza je úzko spätá s metabolizmom železa, jej poruchy môžu byť spojené s narušenou homeostázou železa. Cieľom tejto dizertačnej práce bolo študovať a) vývinové zmeny erytropoézy a ich prepojenie s metabolizmom železa u myšieho modelu s vrodenou erytrocytózou; b) vplyv dedičných mutácií Janusovej kinázy 2 - JAK2 na krvotvorbu. Na myšom modeli vrodenej primárnej erytrocytózy sme analyzovali dopad gain-of-function mutácie erytropoetínového receptora - EPOR na prenatálne, perinatálne a postnatálne štádium erytropoézy a metabolizmus železa. Ľudský gain-of-function EPOR vedie k rozvoju erytrocytózy už prenatálne, potom nasleduje krátke perinatálne obdobie korekcie hematokritu, po ktorom sa erytrocytóza opäť vyvíja v rozmedzí 3 - 6 týždňov života. Oscilácia hladín Hct u gain-of-function EPOR mutantných myší v perinatálnom období pravdepodobne odzrkadľuje zvýšenú deštrukciu prenatálne vytvorených červených krviniek, ktorá súvisí s prechodom z hypoxického prostredia do prostredia normoxie. Prenatálne a perinatálne, gain-of-function EPOR myši majú zvýšené transkripty erytroferónu, znížený hepcidín a nedostatok železa. Postnatálne sa hepcidín u týchto myší zvyšuje, čo je sprevádzané nízkou indukciou erytroferónu a akumuláciou železa, ku ktorému pravdepodobne prispieva železo pochádzajúce z predčasne starnúcich erytrocytov. Starnutím jedincov, najmä u gain-of-function EPOR homozygotov, dochádza k poklesu erytropoézy, myeloidnej expanzii a lokálnemu zápalu kostnej drene. Znížený dopyt po železe erytropoézou, v dôsledku jej útlmu súvisiaceho s vekom, môže rovnako prispievať k zvýšenému ukladaniu železa u starých gain-of-function EPOR myší. Záverom môžeme zhrnúť, že erytrocytóza u gain-of-function EPOR mutantných myší, ako aj expresia hepcidínu, erytroferónu a hladina železa podliehajú počas ontogenézy dynamickým zmenám; a že krvotvorba týchto myší vykazuje známky predčasného starnutia. V druhej časti práce sme sa venovali vplyvu dedičných JAK2 mutácií v signalizácii, ktorú táto kináza sprostredkúva. Dedičné varianty JAK2 E846D a R1063H majú samostatne slabý dopad na aktivitu kinázy, ale ich vzájomná súčinnosť alebo kooperácia s inou mutáciou vedie k patologicky zvýšenej intenzite JAK2 signalizácie. Popísali sme tak fenotyp primárnej erytrocytózy s abnormálnou megakaryopoézou u zloženého JAK2 E846D/R1063H heterozygota, aj zosilnenie fenotypu myeloproliferatívnej neoplázie - MPN účinkom zárodočnej JAK2 R1063H mutácie. Naše predbežné výsledky zároveň ukazujú vyššiu frekvenciu výskytu JAK2 R1063H variantu u pacientov s MPN a obzvlášť s akútnou myeloidnou leukémiou - AML; táto alela by tak mohla predstavovať isté predispozičné riziko. Naše zistenia sú tak v súlade v súčasnosti diskutovanou úlohou genetickej predispozície v patofyziológii MPN. V predloženom súhrnnom článku sme zamerali na popis heterogenity klasických Philadelphia-chromozóm - Ph negatívnych MPN a zhodnotili sme aj donedávna podcenené postavenie dedičného rizika v rámci ich rozvoja a komplexnej patobiológie.

Abstract:

Disorders of hematopoiesis and erythropoiesis, inherited or acquired, can be manifested in severe changes in the number and activity of blood elements. Since erythropoiesis is linked to iron metabolism, its disorders can be associated with disturbed iron homeostasis. My Ph.D. thesis aimed to study a) the relationship between developmental changes in erythropoiesis and iron metabolism in the mouse model of primary congenital erythrocytosis; b) the impact of hereditary Janus kinase 2 - JAK2 mutations on hematopoiesis. In a mouse model of primary congenital primary erythrocytosis, we analyzed the impact of gain-of-function erythropoietin receptor - EPOR mutation on erythropoiesis and iron metabolism at prenatal, perinatal, and postnatal stages of development. Human gain-of-function EPOR leads to the development of erythrocytosis prenatally, followed by a partial period of perinatal hematocrit correction, after which erythrocytosis develops again between 3 - 6 weeks of life. The perinatal oscillation of hematocrit levels in the gain-of-function EPOR mutant mice probably reflects the increased destruction of red blood cells created prenatally, which is related to the transition from a hypoxic environment to normoxia. Prenatally and perinatally, gain-of-function EPOR mutant mice have increased erythroferrone transcripts, reduced hepcidin, and iron deficiency. Postnatally, hepcidin increases in these mice, accompanied by low erythroferrone induction and iron accumulation, likely contributed by iron derived from prematurely senescent erythrocytes. With aging, the old, especially gain-of-function EPOR mutant homozygotes, exhibit a decline of erythropoiesis, myeloid expansion, and local bone marrow inflammatory stress. Reduced iron demand for erythropoiesis, due to its age-related attenuation, also is another contributing factor to increased iron deposition in the aged gain-of-function EPOR mutant mice. We conclude, that erythrocytosis as well as the expression of hepcidin, erythroferrone and iron levels undergo dynamic changes during the ontogenesis of the gain-of-function EPOR mutant mice which also exhibit features of premature aging of hematopoiesis. In the second part of the thesis, we addressed the role of hereditary JAK2 mutations in the signaling mediated by this kinase. We found that the inherited variants JAK2 E846D and R1063H alone have a weak impact on kinase activity. However, their interaction or cooperation with another mutation leads to a pathologically increased intensity of JAK2 signaling. We described the phenotype of primary erythrocytosis with abnormal megakaryopoiesis in a compound JAK2 E846D/R1063H heterozygote and the exacerbation of the myeloproliferative neoplasm - MPN phenotype by the germline JAK2 R1063H mutation. Simultaneously, our preliminary results show a higher frequency of germline JAK2 R1063H variant in patients with MPN, and especially with acute myeloid leukemia - AML. We propose that JAK2 R1063H may represent a predisposing factor towards the development of myeloid malignancies, which is in agreement with recently proposed genetic predisposition to be an important factor in the pathophysiology of MPN. In the presented review article, we focused on the description of the heterogeneity of classical Philadelphia-chromosome - Ph negative MPN and evaluated the role of hereditary risk in the development and complex pathobiology of MPN.

Keywords

primárna erytrocytóza, metabolizmus železa, myeloproliferatívne neoplázie, JAK2 signalizácia, genetická predispozícia

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 11. 2022

Thesis defence

• Supervisor: doc. Mgr. Monika Horváthová, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Medicine and Dentistry

Doctoral programme / field:
Medical Biology / Medical Biology