Novel Genomic Biomarkers for Childhood Acute Lymphoblastic Leukemia

Abstract

Akuutti lymfoblastileukemia (ALL) on lapsuusiän yleisin syöpä. Se voidaan luokitella B- ja T-solulinjojen taudeiksi taudin alkuperän mukaan. Näistä kahdesta leukemiatyypistä B-ALL on selkeästi yleisempi, ja kaikista lasten ALL:ista noin 85 % on B-solulinjan tauteja. ALL:n ennuste on nykyään erinomainen vuosikymmenien saatossa asteittain kehitettyjen lääkehoitojen ansiosta, ja niinpä B-ALL potilaista noin 90 % paranee pysyvästi. Taudin uusiutuessa ennuste on selvästi heikompi, ja erityisesti T-ALL on harvemmin parannettavissa uusiutumisen jälkeen.

B-ALL voidaan luokitella useaan eri alatyyppiin erityisten geneettisten muutosten perusteella, ja tyypillisen tällaisen alaryhmän muodostavat potilaat, joiden leukemiasoluissa todetaan ETV6::RUNX1-fuusiogeeni. T-ALL:n luokittelua ei ole samalla tavalla vakiinnutettu ja niinpä tutkimukset, joissa haetaan ennusteellisia merkkiaineita, ovat hyvin ajankohtaisia.

Tässä väitöskirjassa löydettiin kaksi uutta merkkiainetta T-ALL:aan hyödyntämällä aikaisemmin kerättyä laajaa verisairauksien geeni-ilmentymisen tietopankkia. PRMT7- ja SIX6-geenit ilmentyivät vahvasti T-ALL:ssa verrattuna muihin verisyöpiin ja terveisiin T-soluihin. Solukokeissa havainnoimme, että arginiinimetyylitransferaasi PRMT7 lisäsi T-ALL-solujen pesäkekasvua, muutti T- ALL:n patogeneesiin osallistuvien geenien ilmentymistä ja häiritsi RUNX1- proteiinin arginiinijäänteiden monometylaatiota ja sen toimintaa. Korkea PRMT7- ja SIX6-geenien ilmentyminen liittyi huonompaan ennusteeseen. T-ALL:ssa hyvin tunnettu transkriptiotekijä TAL1 sääteli suoraan SIX6:n ilmentymistä.

Noin neljännes lapsuusiän ALL-tapauksista luokitellaan ETV6::RUNX1-alatyypin leukemiaksi. Tämän leukemiatyypin ennuste on yleensä erittäin hyvä, mutta tuntemattomasta syystä pieni osa potilaista reagoi huonosti alkuvaiheen lääkehoidolle, ja heillä on lisääntynyt taudin uusiutumisen riski. Tutkimushypoteesinamme oli, että hoitovasteen puutteen takana ovat geneettiset tekijät, ja tutkimme asiaa 175 potilaan näytteistä. Tunnistimme isoja geenialueiden puutoksia ja monistumia, jotka liittyivät hoitovasteeseen. Nopeasti hoitoon vastaavien leukemiasolujen geeneissä oli usein havaittavissa APOBEC- mutaatiojälki ja kromosomialue 12p puutos. Solut olivat myös usein aktiivisesti solusyklin jakautumisvaiheessa. Hitaasti hoitoon vastaavilla leukemiasoluilla havaittiin immunoglobuliinigeenin (kappa) uudelleenjärjestymiä ja kappa-deleetio- alueen muutoksia. Tästä johtuen solujen fenotyyppi muuttui, mikä viittaa B- solureseptorin signaloinnin aktivoitumiseen.

Yhteenvetona voidaan todeta, että tässä väitöskirjatutkimuksessa tunnistettiin kaksi uutta merkkiainetta T-soluiseen ALL:aan sekä geneettisiä muutoksia, jotka selittävät hoitovastetta ETV6::RUNX1-tyypin leukemiassa. Tämän kaltaiset tutkimukset mahdollistavat tulevaisuudessa paremmin kohdennettujen hoitojen suunnittelun leukemiaan.

Acute lymphoblastic leukemia (ALL) is the most common form of childhood cancer. It can be classified into T and B cell lineage leukemias, with B-ALL being more common, and accounting for approximately 85% of cases. The survival rate of ALL patients has exceeded 90% due to significant improvements in treatment over the past decades. However, the prognosis of relapsed disease is much worse, and relapsed T-ALL is particularly difficult to cure.

B-ALL can be divided into several subtypes based on the presence of specific genetic alterations. One of these is the ETV6::RUNX1 subtype, which is found in one-quarter of pediatric ALL cases. In contrast to B-ALL, T-ALL lacks a similar prognostic classification system. Therefore, studies seeking to identify clinically applicable biomarkers for T-ALL are highly relevant.

In this thesis, we used a large gene expression data set of hematological malignancies and healthy samples to screen for potential candidate genes that are biologically relevant to T-ALL pathogenesis and could serve as prognostic biomarkers. Two genes, protein arginine methyltransferase 7 (PRMT7) and SIX homeobox 6 (SIX6), were highly expressed in the T-ALL samples. PRMT7 promoted the growth of T-ALL cells in colony formation assays, regulated the expression of various genes associated with T-ALL pathogenesis, and altered the arginine monomethylation of the RUNX1 transcription factor, leading to the altered expression of RUNX1 target genes. High PRMT7 expression was associated with a trend toward inferior event-free survival and overall survival. Similarly, high levels of SIX6 messenger RNA were associated with inferior event-free survival and overall survival. The expression of SIX6 was directly upregulated by TAL1, a master regulator of transcription in T-ALL.

Patients with the ETV6::RUNX1 fusion typically have excellent outcomes. However, a subset of patients has a slow early response to therapy, which is associated with an increased risk of relapse. We hypothesized that secondary genetic alterations would determine the treatment response in ETV6::RUNX1-positive leukemia. In leukemia samples from a cohort of 175 pediatric ETV6::RUNX1 patients, we identified large genomic deletions and amplifications associated with early therapy response. The fast-responding leukemic blasts frequently exhibited the APOBEC mutational signature, had higher cell cycle activity, and were often missing a region of chromosome 12p. In contrast, blasts from slow-responding leukemias had frequent rearrangements in the immunoglobulin kappa gene and kappa-deleting elements. Upon treatment, the blasts with productive rearrangements were enriched, suggesting the activation of BCR signaling.

In summary, we discovered two novel prognostic biomarkers for T-ALL and the response-associated genetic features of B-ALL. These findings may pave the way for more individualized therapy in pediatric ALL in the future.