Mesenchymal inflammation drives genotoxic stress in hematopoietic stem cells and predicts disease evolution in human pre-leukemia

Mesenchymal niche cells may drive tissue failure and malignant transformation in the hematopoietic system but the molecular mechanisms and their relevance to human disease remain poorly defined. Here, we show that perturbation of mesenchymal cells in a mouse model of the preleukemic disorder Shwachman-Diamond syndrome induces mitochondrial dysfunction, oxidative stress and activation of DNA damage responses in hematopoietic stem and progenitor cells. Massive parallel RNA sequencing of highly purified mesenchymal cells in the mouse model and a range of human preleukemic syndromes identified p53-S100A8/9-TLR inflammatory signaling as a common driving mechanism of genotoxic stress. Transcriptional activation of this signaling axis in the mesenchymal niche predicted leukemic evolution and progression-free survival in myelodysplastic syndrome, the principal leukemia predisposition syndrome. Collectively, our findings reveal a concept of mesenchymal niche-induced genotoxic stress in heterotypic stem and progenitor cells through inflammatory signaling as an actionable determinant of disease outcome in human preleukemia

Study of transcription factors in hematopoietic malignices

The myelodysplastic syndrome (MDS) is an heterogeneous family of clonal disorders of the hematopoietic stem cell. Morphologically, it is characterized by dysplasia in at least one myeloid cell lineage. Typically the bone marrow is hypercellular as opposed to the cytopenias observed in the peripheral blood. The cause of cytopenias, in at least one subset of MDS patients, has been attributed to an excessive cytokineinduced intramedullary apoptotic death. MDS patients are anemic and frequently transfusion-dependent, due to ineffective erythropoiesis. The levels of several cytokines or ligands, known to have pro-apoptotic and inflammatory properties such as IL-1β, TNF and Fas-ligand, are elevated in myelodysplastic bone marrow (BM). This elevated expression has been implicated in increased apoptosis and inhibition of hematopoiesis. It has been hypothesized that TNF primes BM CD34+ cells for Fas-induced apoptosis, suggesting a Fas-FasL interaction as a possible pathogenetic mechanism contributing to immune destruction of CD34+ cells in human myelodysplasia. Furthermore, genetic alternations have been implicated in molecular pathway leading to disease appearance. Several transcription factors that their expression is altered in myelodysplastic syndromes have been studied in deepth over the past years. Activities of IRF-1 encompas maturation of cells, mediating immune responses and regulation of early events governing myeloid cells’ terminal differentiation. Deletions and somatic mutations of IRF-1 gene have been implicated in the multiphase process of human myelodysplasia and leukemic evolution. In addition, alternative mRNA splicing resulting in functional inactivation of IRF-1 has been reported to be involved in the development of the myelodysplastic phenotype. We evaluated any correlation between alternative splicing of IRF-1 mRNA and disease severity. In all MDS patients we detected the presence of the spliced isoforms whereas the full-length transcript was detected in 26 out of 45 patients. The exclusive presence of the alternative transcripts in the MDS patients links IRF-1 with the pathophysiological mechanism driving myelodysplasia and could be used as a diagnostic marker since the SLE with bone marrow alternation did not presented alternative splicing. The similar levels of IRF-1 transcription in both patients and controls, suggest that the IRF-1 gene regulation remains intact and the same as in the control cell s. The identical expression pattern of IRF-1 in BMMC, in CD34+ cells and in CD71+, erythroid cells suggests that the IRF-1 differential expression plausible reflects a molecular mechanism present not only in the differentiated compartment but also in the progenitor cells. In three samples that presented more than one IRF-1 transcripts besides the full-length transcript, we detect the presences of different nucleonic changes in exon 1. This could be attributed to the existence of subclonal populations that along with the normal cells contribute to the hematopoiesis process. Two alternative protein transcripts with 47kDa and 45kDa molecular weight were detected in MDS BMMC. This is the first time that alternative proteins are detected. IRF-1 is the sole inducer of iNOS expression following TNF or/and IFN-γ stimulation. The MDS patients that presented the full-length transcript maintained their ability to induce the expression of iNOS gene whereas the MDS patients that presented only truncated transcript did not, suggesting that only the full-length transcript is capable for the induction of the IRF-1 regulated genes.Τα Μυελοδυσπλαστικά σύνδρομα (ΜΔΣ) αποτελούν μία ετερογενή ομάδα επίκτητων αιματολογικών κακοηθειών που χαρακτηρίζονται κυρίως από κλωνικότητα, διαταραχή της φυσιολογικής αιμοποίησης –σε τουλάχιστο μια κυτταρική σειρά- και εκτροπή σε οξεία μυελογενή λευχαιμία (ΟΜΛ) σε ένα ποσοστό 30% των ασθενών. Τα ΜΔΣ εμφανίζουν μορφολογικές ανωμαλίες τόσο των μυελικών όσο και των κυττάρων της περιφέρειας. Ο μυελός των οστών είναι υπερκυτταρικός αλλά λόγω της ανικανότητας ολοκλήρωσης του προγράμματος διαφοροποίησης, στην περιφέρεια εμφανίζονται ανθεκτικές κυτταροπενίες. Η παθοφυσιολογία των ΜΔΣ είναι μία σύνθετη πολυσταδιακή διαδικασία της οποίας δεν μπορούμε να προσδιορίσουμε το πότε ξεκινά ακριβώς. Ένα σημαντικό ποσοστό αυτών των σύνθετων παθήσεων προκύπτει από την επίδραση τοξικών ουσιών ή ευκαιριακή έκθεση σε τοξικές ουσίες, χημειοθεραπεία κοκ. Η εκτροπή του αρχέγονου αιμοποιητικού κυττάρου σε μία προλευχαιμική κατάσταση είναι μία πολυσταδιακή διαδικασία που απαιτεί συσσώρευση αριθμού γενετικών βλαβών μέχρι να οδηγηθεί το κύτταρο σε νεοπλασματικό φαινότυπο. Συνοπτικά θα μπορούσαμε να υποθέσουμε ότι αρχικά συμβαίνουν μεταλλάξεις -τόσο του πυρηνικού όσο και του μιτοχονδριακού γενετικού υλικού- με αποτέλεσμα την μη σωστή λειτουργία του κυττάρου. Σε ένα δεύτερο χρονικά στάδιο, ακολουθεί η γενετική αστάθεια με παράλληλες ανοσολογικές διαφοροποιήσεις. Σε γενετικό επίπεδο τα ΜΔΣ χαρακτηρίζονται από απώλειες ή μεταθέσεις γονιδίων που συμμετέχουν στη ρύθμιση του κυτταρικού πολλαπλασιασμού, της διαφοροποίησης και της απόπτωσης. Το γονίδιο του IRF-1 εδράζεται στη χρωμοσωμική θέση 5q31, την πιο συχνά απαλειφόμενη περιοχή στο ΜΔΣ. Ως εκ τούτου η συμμετοχή του στην παθογένεια του συνδρόμου αποτέλεσε εξ αρχής ένα ερευνητικό στόχο. Η απαλοιφή του ενός αλληλίου οδηγεί σε σημαντικά ελαττωμένη έκφραση των γονιδίων που ρυθμίζονται μεταγραφικά από τον IRF-1, υποδηλώνοντας ότι η αποδυνάμωση της ογκοκατασταλτικής λειτουργίας του είναι δυνατό να συμμετέχει στην εκδήλωση των ΜΔΣ είτε αυτόνομα είτε σε συνδυασμό και με άλλες γενετικές αλλοιώσεις. Αξιολογήσαμε τυχόν συσχέτιση της εναλλακτικής συρραφής του IRF-1 με την βαρύτητα της νόσου. Εναλλακτικά μετάγραφα ανιχνεύθηκαν σε όλα τα δείγματα των ασθενών, ενώ το ολικό μετάγραφο μόνο σε 26 από τους 45. Η αποκλειστική παρουσία των εναλλακτικών μεταγράφων στα δείγματα των ασθενών συνδέει την εναλλακτική συρραφή του IRF-1 με τον παθογενετικό μηχανισμό και το φαινότυπο της μυελοδυσπλασίας. Το μεταγραφικό πρότυπο του IRF-1 θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και ως διαγνωστικός δείκτης για τα ΜΔΣ, αφού οι ΣΕΛ ασθενείς, που παρουσίαζαν αλλοιώσεις στο μυελό των οστών όμοιες με αυτές των ΜΔΣ ασθενών, εξέφραζαν μόνο το ολικό μετάγραφο. Τα παραπλήσια ποσοτικά επίπεδα μεταγραφικής έκφρασης του συνόλου των IRF-1 μορφών, σε ασθενείς και μάρτυρες, υποδηλώνουν ότι η γονιδιακή ρύθμιση της έκφρασης του IRF-1 στα μυελοδυσπλαστικά κύτταρα παραμένει όμοια με τη φυσιολογική. Το πανομοιότυπο πρότυπο έκφρασης του IRF-1 στα BMMC, στα προγονικά CD34+ και στους ερυθροβλάστες CD71+, υποδηλώνει ότι η διαφορική μεταγραφή του IRF-1 πιθανότατα αντανακλά ένα μοριακό μηχανισμό που παρουσιάζεται τόσο στα προγονικά όσο και στα διαφοροποιημένα κύτταρα. Τρεις περιπτώσεις παρουσίαζαν περισσότερα του ενός IRF-1 μετάγραφα με διαφορετικές νουκλεοτιδικές αλλαγές στο εξώνιο 1 παράλληλα με το φυσιολογικό ολικό μετάγραφο, υποδηλώνοντας την παρουσία υποκλώνων που στα αρχικά στάδια της νόσου συνυπάρχουν με φυσιολογικά προγονικά κύτταρα και που όλα μαζί συνεισφέρουν στην αιμοποίηση

GATA-1 transcription factor is up-regulated in bone marrow hematopoietic progenitor CD34+ and erythroid CD71+ cells in myelodysplastic syndromes

GATA-1 is a transcription factor governing the production of erythroid and megakaryocyte cells. Unobstructed GATA-1 expression in early progenitor cells commits them to the myeloid lineage, channeling its differentiation towards erythrocytes and megakaryocytes. Myelodysplastic Syndromes (MDS) are clonal disorders of the hematopoietic stem cell frequently presenting dysplasia in erythroid and/or megakaryocytic lineage. We reasoned that measurement of GATA-1 expression levels in hematopoietic progenitor CD34+ and the committed erythroid CD71+ cells, from various MDS subcategories, could demonstrate GATA-1 involvement in the pathogenesis of the syndrome. In this study, MDS patients displayed significantly elevated GATA-1 mRNA expression, in bone marrow mononuclear cells (BMMCs), progenitor CD34+ and erythroid CD71+ cells in contrast to the control population (P < 0.001). Additionally, GATA-1 mRNA expression in MDS CD71+ cells was positively correlated with their apoptotic levels (p = 0.58, P = 0.03). Furthermore, GATA-1 expression levels were found to correlate with the disease progression. MDS patients in high/INT-2 IPSS risk group expressed significantly higher GATA-1 mRNA levels, in both CD34+ and CD71+ cells, as opposed to low/INT-1 patients (P < 0.001). Moreover, the former displayed increased apoptosis in the CD71+ cells and significantly reduced neutrophil and platelet numbers and hemoglobin levels compared with the latter. We conclude that MDS patients display an increase of GATA-1 mRNA expression in BM cells, with high/INT-2 patients showing significantly higher levels. The higher level of GATA-1 mRNA in erythroid cells was positively correlated with their degree of apoptosis. These findings suggest that the up-regulation of GATA-1 may be responsible for the peripheral cytopenias in MDS. © 2007 Wiley-Liss, Inc