microRNA expression profiling of pediatric acute myeloid leukemia patient samples and global identification of Argonaute protein-associated RNAs in respective cell line models

TL;DR: Dabei konnte gezeigt werden, dass sich die AML Untergruppen mit den Translokationen t(8;21) and t(15;17) aufgrund ihrer miRNA Expressionsprofile komplett voneinander unterscheiden lassen, ohne bekannte spezifische Funktionen.

Abstract: microRNAs (miRNAs) sind kleine (21-24 nt), nicht-kodierende und hoch konservierte Molekule, die an verschiedenen regulatorischen Prozessen wie Zellwachstum, Proliferation, Differenzierung, Immunreaktionen und Apoptose beteiligt sind und eine wichtige Rolle bei verschiedenen Erkrankungen und Krebsformen, wie der akuten myeloischen Leukamie (AML) spielen. AML ist eine klinisch und genetisch heterogene Erkrankung, die durch ein schnelles Wachstum von entarteten Leukozyten charakterisiert wird, die sich im Knochenmark anreichern. In dieser Arbeit wurden miRNA Expressionsprofile von unterschiedlichen AML Untergruppen analysiert, um differentiell exprimierte miRNAs zu identifizieren, die als potentielle Biomarker fur die Einteilung von padiatrischen AML Patienten in Risikogruppen dienen konnen. Fur eine globale, biochemische Identifizierung von miRNA Zielstrukturen wurden entsprechende Zelllinienmodelle verwendet. Mit Hilfe der Microarray-Technologie wurden die miRNA Expressionsprofile von 102 padiatrischen AML Patientenproben identifiziert und mittels hierarchischer Clusteranalyse und statistischen Tests analysiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich die AML Untergruppen mit den Translokationen t(8;21) und t(15;17) aufgrund ihrer miRNA Expressionsprofile komplett voneinander unterscheiden lassen, wohingegen Translokationen mit Beteiligung des Mixed Lineage Leukemia- (MLL-) Gens uber das gesamte Cluster verteilt sind und kein charakteristisches miRNA Profil aufweisen. Nur sechs und sieben miRNAs konnten als differentiell exprimiert zwischen den Translokationen t(8;21) und t(15;17) und allen anderen AML Untergruppen identifiziert werden. Das ist uberraschend, da die Patienten, die in dieser Arbeit untersucht wurden, stark in ihrem klinischen Erscheinungsbild variieren. Daher scheinen diese miRNAs als zukunftige Biomarker geeignet zu sein. Die differentiell exprimierten miRNAs beinhalten abstammungsspezifische miRNAs (miR-223), onkogene miRNAs (miR-21) und ubiquitar exprimierte miRNAs ohne bekannte spezifische Funktionen. Des Weiteren wurden diese miRNAs bisher nicht als signifikant in erwachsenen AML Patienten beschrieben. Daher scheinen diese miRNAs padiatrisch-spezifische Biomarker zu sein. miRNAs fuhren ihre Funktion mit Hilfe von sogenannten Argonaute-Proteinen (Ago-Proteine) durch, indem sie diese Proteine zu ihren spezifischen Ziel-mRNAs fuhren und komplementar an Sequenzen in deren 3‘-untranslatierten Region (3‘-UTR) binden, um die Ziel-mRNAs zu hemmen und/oder zu destabilisieren. Um mehr uber mogliche Funktionen der differentiell exprimierten miRNAs zu erfahren, wurde in dieser Arbeit eine Methode zur co-Immunprazipitation von Argonaute-Proteinen, genannt PAR-CLIP-Array (Photoactivatable-Ribonucleoside-Enhanced Crosslinking-Immunoprecipitation and Microarray Hybridization), etabliert, mit der global Ago-assoziierte miRNAs und Ziel-mRNAs identifiziert werden konnten. Dabei wurden Argonaute-spezifische miRNAs und deren Ziel-mRNAs identifiziert, die auf unterschiedliche Bindungsprioritaten der vier humanen Argonaute-Proteine hindeuten. Bioinformatische Sequenzanalysen und die Einordnung der Ago-assoziierten Ziel-mRNAs in Stoffwechselwege macht eine Kooperation der vier Argonaute-Proteine, hinsichtlich der Regulierung von AML-relevanten Stoffwechselwegen, deutlich. Anhand dieser Daten konnte zudem gezeigt werden, dass mehrere Ago-assoziierte miRNAs eine Bindungsstelle mit dem Tumorsuppressor TSC1 besitzen, um diesen reprimieren zu konnen, was zu einer Aktivierung des mTOR Signalwegs und einem erhohten Zellwachstum in t(15;17)-positiver AML fuhren kann. Zudem kann die Inhibierung der MAP Kinase Phosphatase DUSP6 durch mehrere Ago-assoziierte miRNAs zu einer Aktivierung von proliferativen Genen des MAPK Signalwegs in t(8;21)- und t(15;17)-positiver AML fuhren. Zusammenfassend zeigen diese Daten, dass miRNAs geeignete Biomarker darstellen, um AML Untergruppen unterscheiden und padiatrische AML-Patienten in Risikogruppen einteilen zu konnen. Des Weiteren zeigt diese Arbeit, dass die vier humanen Argonaute-Proteine bei der Regulierung von AML-relevanten Signalwegen kooperieren und dass die Entschlusselung der Argonaute-miRNAmRNA Komplexe neue Einblicke in die Biologie der AML liefern und den Startpunkt fur neue therapeutische Eingriffe darstellen kann.