Large granular lymphocytic (LGL) leukemia is a chronic incurable disorder characterized by expansion of cytotoxic T- or natural killer (NK)-lymphocytes infiltrating blood and bone marrow. The diagnostic criteria include persistent lymphocytosis in peripheral blood, and in the case of T-LGL leukemia, detection of a clonal rearrangement of the T cell receptor. Typical clinical and hematological characteristics, including anemia, neutropenia, and autoimmune disorders, further support the diagnosis. Current immunosuppressive treatment options, such as methotrexate, induce remission in only 50% of cases and no targeted therapies exist. The aim of this project was to characterize the molecular pathogenesis of LGL leukemia and find molecular markers that could be used for diagnosis and novel therapeutic approaches.
In the first study, the molecular background of LGL leukemia was analyzed by exome sequencing of a T-LGL leukemia patient. The index patient carried a novel D661V mutation in the Signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) gene. STAT3 is a known oncoprotein and a transcription factor. In the subsequent screening, the prevalence of somatic STAT3 mutations in T-LGL cases was 40%. Based on functional studies, the mutations located in the SRC-like homology 2 (SH2) domain increased phosphorylation and transcriptional activity of STAT3.
A larger LGL-leukemia patient cohort, including both T-LGL leukemia and chronic lymphoproliferative disorder of NK cells (CLPD-NK) patients, was analyzed in the second study. Activating STAT3 mutations were seen in 27% and 30% of cases, respectively. The analysis of clinical characteristics showed that patients with STAT3 mutations were more likely to have neutropenia and rheumatoid arthritis and also required more frequent treatment when compared with unmutated patients. The third study concentrated on the analysis of STAT3 mutation-negative patients by exome sequencing. Two T-LGL leukemia patients carried Y665F mutation in STAT5B gene. In the screening of over 200 T-LGL leukemia and CLPD-NK cases, two patients presented with additional N642H mutation in STAT5B. The mutations were situated in the SH2 domain and led to increased phosphorylation and transcriptional activity of STAT5B. The in vitro effects of N642H mutation were more prominent, and both patients harboring N642H mutation had an untypically aggressive clinical presentation.
In the fourth study, the clonal hierarchy and STAT3 mutation spectrum during immunosuppressive treatment was analyzed by deep amplicon-sequencing of STAT3 and simultaneous deep sequencing analysis of a T cell receptor beta chain (TCRB) repertoire. A total of 22% of STAT3-mutated patients harbored multiple STAT3 mutations mostly in separate lymphocyte clones. Mutated clones did not share common T cell receptor beta chain (TCRB) sequences by deep sequencing method in three T-LGL leukemia cases analyzed. Complete remission after immunosuppressive therapy resulted in the eradication of the STAT3-mutated clone in most patients, whereas partial responses reflected only modest changes in the leukemic clone burden.
In conclusion, the activating STAT3 and STAT5B mutations provide a basis for understanding the molecular pathogenesis of leukemic LGL expansion. LGL leukemia can result from chronic antigen exposure in combination with immunogenetic factors such as STAT mutations. The detection of STAT3 and STAT5B mutations can be included in the diagnostic criteria of LGL leukemia, and facilitate development of novel therapeutics.Suurten granulaaristen lymfosyyttien (large granular lymphocyte, LGL) leukemia on harvinainen, parantumaton krooninen verisairaus, joka johtuu klonaalisten sytotoksisten T- tai NK-lymfosyyttien lisääntymisestä veressa sekä luuytimessä. Taudin tyypillisiin oireisiin kuuluvat anemia, neutropenia sekä erilaiset autoimmuunisairaudet kuten nivelreuma. LGL-leukemian syntymekanismi on tuntematon. Koska LGL-solut ovat fenotyypiltään jo antigeeninsä kohdanneita kypsiä lymfosyyttejä, on mahdollista että jokin tuntematon, autoantigeenien kanssa ristiin reagoiva epitooppi on toiminut lymfoproliferaation käynnistäjänä. Ohjelmoitu solukuolema eli apoptoosi, joka rajoittaa aktivoituneiden lymfosyyttien määrää, toimii huonosti LGL-leukemiassa. Sairauden hoitona käytetään immuunijärjestelmää lamaavia lääkeaineita, mutta vain noin puolet potilaista saa niille hoitovasteen.
Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää LGL-leukemian syntymekanismi ja löytää taudille ominaisia molekyylitason tunnusmerkkejä ja tyyppimutaatioita, joita voitaisiin käyttää diagnostiikassa ja täsmähoitojen kohteena. Väitöskirjan osatöissä analysoitiin näytteitä yli 200:lta LGL-leukemia-potilaalta. Virtaussytometrisen valkosoluanalyysin ja erottelun lisäksi menetelminä käytettiin uusimpia, herkkiä sekvenointimenetelmiä, kuten koko eksomin sekvenointia sekä yksittäisiin geeneihin kohdistettua syväsekvenointia. Todettujen mutaatioiden toiminnallista vaikutusta analysoitiin käyttämällä potilasnäytteitä ja solulinjoja.
Väitöskirjan tärkeimpänä tuloksena merkittävällä osalla, noin 40%:lla, T- ja NK-LGL-leukemiaa sairastavilla potilailla todettiin mutaatio STAT3-geenin aktiivista dimeerirakennetta säätelevässä SH2-osassa. STAT3 on perimän luentaa ohjaava proteiini, jolla on merkittävä rooli esimerkiksi puolustusjärjestelmän toiminnassa osana JAK-STAT-akselia. LGL-leukemiassa todetut hankinnaiset STAT3-mutaatiot aktivoivat STAT3-geeniä ja sen säätelelemiä signalointireittejä. Mutaatiot sijaitsivat taudille ominaisissa sytotoksisissa lymfosyyteissä, ja osalla potilaista todettiin jopa useita STAT3-mutatoituneita lymfosyyttiklooneja. Nivelreuma ja neutropenia olivat selvästi yleisempiä potilailla, joilla todettiin STAT3-mutaatio, ja mutaatiot olivat yhteydessä suurempaan leukeemisen populaation kokoon. Kvantitatiivisen STAT3-syväsekvenoinnin käytettävyyttä testattiin lisäksi hoitovasteen arvioinnissa: täydellisen hoitovasteen yhteydessä myös STAT3-mutaatiota kantava klooni katosi.
Seuraavassa vaiheessa LGL-leukemian syntymekanismia selvitettiin koko eksomin sekvenoinnilla niillä potilailla, joilla ei oltu todettu STAT3-mutaatiota. Eksomisekvenoinnissa ja sitä seuranneessa LGL-leukemia-kohortin analyysissa 2%:lla (4/211) potilaista todettiin hankittu mutaatio STAT5B-geenin SH2-osassa. Funktionaaliset kokeet osoittivat, että todetut STAT5B-mutaatiot olivat luonteeltaan STAT5B:n toimintaa aktivoivia. Aineistossa oli kaksi potilasta, jotka sairastivat epätyypillistä agressiivista LGL-leukemiaa, ja molemmat olivat STAT5B N642H-mutaation kantajia. On mahdollista, että kyseinen mutaatio liittyy poikkeavaan taudinkuvaan.
Loppupäätelmänä voidaan esittää, että STAT3- ja STAT5B-mutaatiot ovat merkittävässä roolissa LGL-leukemian synnyssä. On todennäköistä, että näiden mutaatioiden lisäksi mahdolliset muut hankitut mutaatiot, perinnöllinen alttius, erilaiset kohdatut antigeenit sekä immunosuppressiivinen hoito vaikuttavat lymfosyyttikloonien syntyyn ja taudinkulkuun. STAT3- ja STAT5B-mutaatioiden analyysi voidaan ottaa yhdeksi kriteeriksi LGL-leukemiaa diagnosoidessa, ja nämä proteiinit sekä niihin liittyvät signalointireitit ovat uusia kiinnostavia kohteita täsmähoitoja suunniteltaessa
