Onkogenní a zánětlivá signalizace v patogenezi myeloproliferativních onemocnění

Mgr. Ján ŠTETKA

Doctoral thesis

Oncogenic and inflammatory signaling in the pathogenesis of myeloproliferative neoplasms

Abstract:

Myeloproliferativní onemocnění (MPN) jsou poruchy hematopoetických kmenových buněk (HSC) s nadprodukcí myeloidních krevních řad, které jsou způsobeny onkogenní signalizací a vyznačují se vysokou prevalencí mutace JAK2 V617F. Chronický zánět, změny v metabolismu a odpovědi na poškození DNA jsou důležitými znaky MPN. Pacienti s MPN a mutací JAK2 V617F tvoří několik navzájem neostře ohraničených jednotek s variabilní fenotypovou manifestací, což vede ke klasifikaci různých klinických entit. Nejvíce zastoupené jsou polycythemia vera (PV) s expanzí červené krevní řady a esenciální trombocytémie (ET) se zvýšenou mírou megakaryopoézy. Díky jedinečným vlastnostem, mezi které patří relativně nízká míra leukemické transformace s dlouhou latencí, slouží MPN jako model pro zkoumání mechanismů interakce onkogenu a odpovědi na poškození DNA způsobené zánětem a změnami v metabolismu, které se pak projeví v iniciaci nemoci, fenotypovém projevu a případně i v progresi nemoci. Obecně, zánět a postupná akumulace poškození DNA vytváří mikroprostředí krvetvorné tkáně, které zvyšuje riziko neoplastické transformace, jak je zde diskutováno u preleukemických stavů. V případě onkogenu JAK2 V617F u MPN je však vývoj choroby charakterizován dlouhou a stabilní latentní fází. V této práci představuji soubor dat, který odhaluje mechanismy závislé na signalizaci JAK2 V617F, které v progenitorech PV snižují jak oxidativní stres zprostředkovaný zánětem, tak stresem aktivovanou signalizaci proteinkináz. Těmito mechanizmy jsou upregulace systému antioxidační ochrany proti reaktivním formám kyslíku a fosfatáza s dvojí specificitou DUSP1. Tyto ochranné mechanismy pak vytvářejí bariéru zabraňující progresi do myelofibrózy. Dále ukazujeme, že PV progenitory jsou silně závislé na aktivitě DUSP1, což poskytuje potenciální cíl pro budoucí terapeutické přístupy. V současné době je léčba pegylovaným interferonem alfa (pegIFN) nejúčinnější terapií u MPN. To naznačuje, že nadbytek zánětové signalizace může nakonec překonat ochranné mechanismy u hematopoetických kmenových buněk (HSCs). Rozhodli jsme se proto studovat účinky pegIFN na HSCs v myších modelech MPN. Naše analýza ukázala zvýšenou expresi povrchového markeru CD41 u MPN HSCs (CD41hi HSCs), které vykazují sníženou schopnost samoobnovy a repopulace. Léčba pegIFN následně indukuje konverzi HSCs s nízkou expresí CD41 na CD41hi HSCs a poskytuje představu o možném mechanizmu účinku pegIFN a marker účinnosti terapie. Nakonec jsme také zkoumali vliv metabolismu železa na projev fenotypu u MPN. Ukázalo se, že nedostatek železa podporuje sklon společných progenitorů megakaryocytů a červené krevní rady (MEP) k diferenciaci do progenitorů megakaryocytů. V této části studie jsme použili myši exprimující JAK2 V617F s fenotypovým projevem ET nebo PV a myší model JAK2 exon 12 (E12) s erytrocytózou a vystavili jsme je nedostatku železa nebo jeho dodatečnou suplementací. Nedostatek železa v modelech PV vedl k mikrocytární anémii a zvýšenému počtu krevních destiček. Naopak parenterální doplnění železa snížilo počet krevních destiček a indukovalo erytrocytózu. Avšak model ET s JAK2 V617F nereagoval na změny dostupnosti železa. Následující analýza kompartmentu kmenových buněk a progenitorů ukazuje, že u ET myšího modelu dochází k zvýšené megakaryopoéze prostřednictvím společného myeloidního progenitoru (CMP), který nereaguje na dostupnost železa. PV modely mají tendenci používat jak MEP reagující na železo, tak nereagující cestu prostřednictvím LT-HSC / CMP se sklonem k diferenciaci do progenitorů megakaryocytů. Naproti tomu se zdá, že mutantní protein JAK2 exon12 selektivně stimuluje MEP, které jsou závislé na železe, což vede k

Abstract:

Myeloproliferative neoplasms (MPNs) are disorders of hematopoietic stem cells (HSCs), characterized by abnormal proliferation of one or more myeloid lineages and driven by underling oncogenic signaling with high prevalence of JAK2 V617F mutation. Chronic inflammation, changes in metabolism and DNA damage response are major hallmarks of MPN. MPN patients with JAK2 V617F mutation have variable phenotype manifestation, resulting in different clinical entities. The two most represented are polycythemia vera (PV) with expansion of red cell lineage and essential thrombocythemia (ET) with increased megakaryopoiesis. Unique disease properties of MPN, including relatively low incidence of leukemia transformation, provide a model for investigating mechanisms of oncogene interaction with inflammation-induced DNA damage and changes in metabolism which are then reflected in disease initiation, phenotype manifestation and eventually disease progression. In general, inflammation and gradual increase in DNA damage creates a tissue microenvironment permissive for neoplastic transformation, as discussed here in the case of preleukemia disease states. However, in the case of JAK2 V617F oncogene, the disease evolution is characterized by long and stable latent phase. Here, I present a dataset uncovering JAK2 V617F-dependent protective mechanisms, which in PV cells ameliorate inflammation-mediated oxidative stress and stress-activated protein kinase signaling. The fail-safe mechanisms against inflammatory stress and DNA damage are mediated by up-regulation of reactive oxygen species buffering system and through dual-specificity phosphatase 1 (DUSP1) actions. These protection mechanisms then create a barrier preventing progression to myelofibrosis. Furthermore, we show, that PV progenitors are strongly dependent on DUSP1 activity, providing a potential therapeutic target. Currently the most effective treatment of MPN is a therapy with pegylated interferon alpha (pegIFN). This suggests that excess of inflammatory signaling might eventually overrun protection mechanisms in a pool of hematopoietic stem cells (HSCs). We have thus studied effects of treatment with pegIFN on HSCs in mouse models of MPN. We found an increased expression of surface marker CD41 in a subset of MPN HSCs (CD41hi HSC) which show impaired self-renewal and repopulation capacity. Treatment with pegIFN further induced shift towards CD41hi HSCs and provides a possible mechanistic link and a marker of pegIFN therapy effectiveness. Finally, we also examined the influence of iron metabolism on the phenotype manifestation in MPN. Iron deficiency was shown to promote megakaryocytic commitment of megakaryocyte-erythroid progenitors (MEPs). We studied mice expressing JAK2 V617F and displaying pure ET or full PV phenotypes and a JAK2 exon 12 (E12) mouse model with erythrocytosis and exposed them to iron deficiency or iron supplementation. Iron deficiency in PV models led to microcytic anemia and increased platelet counts. Conversely, iron injections lowered the platelet counts and promoted erythrocytosis. However, the JAK2 V617F ET model was unresponsive to changes of iron availability. Analyses of the stem cell and progenitor compartment show that ET mice are feeding the megakaryopoiesis through the megakaryocyte-biased common myeloid progenitor (CMP) path. Furthermore, PV models tend to use both iron responsive MEP and nonresponsive megakaryocytic-biased LT-HSC/CMP path. In contrast, the mutant JAK2 exon12 protein appears to selectively stimulate iron dependent stage of MEPs resulting in erythrocytosis at the expense of platelet production. Exploring means of limiting erythropoiesis through iron restriction may benefit PV patients requiring repeat therapeutic phlebotomy. Overall, these studies contribute to better understanding of unique pathophysiology of MPN and create a platform for new therapeutic interventions.

Abstract:

erytrocytóze na úkor produkce destiček. Zkoumání způsobů omezení erytropoézy omezením dostupnosti železa může prospět pacientům s PV vyžadujících opakovanou terapeutickou flebotomii. Celkově tyto studie přispívají k lepšímu pochopení jedinečné patofyziologie MPN a vytvářejí platformu pro nové intervence.

Keywords

MPN, zánět, Poškození DNA, DDR, JAK2 V617F, PV

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 1. 2021

Thesis defence

• Supervisor: doc. RNDr. Vladimír Divoký, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Medicine and Dentistry

Doctoral programme / field:
Medical Biology / Medical Biology