Open Access

Martina Komor

• Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Identifizierung von potentiellen Pathogeneserelevanten Genen in differenzierenden, hämatopoetischen Zellen von Patienten mit myelodysplastischem Syndrom. Grundlage für diese Arbeit war die Etablierung eines in vitro Systems zur Differenzierung primärer, hämatopoetischer Stammzellen. Durch globale Genexpressionsanalyse mit Oligonukleotid Mikroarrays sollten enexpressionsmuster gefunden werden, die die normale Hämatopoese charakterisieren und darüber hinaus zur Identifizierung relevanter Gene für die einzelnen Risikotypen des MDS beitragen. Die Ergebnisse können in Anlehnung an die einzelnen Fragestellungen (Kapitel 1.4.) wie folgt zusammengefasst werden: 1. Welche Gene werden im Verlauf der normalen hämatopoetischen Differenzierung angeschaltet? Bei der Differenzierung normaler hämatopoetischer Stammzellen werden im Verlauf der Erythro-, Granulo- und Megakaryopoese hochdifferentielle transkriptionelle Programme initiiert. Die Betrachtung von Genen mit einem sich kontinuierlich verändernden Expressionsniveau zeigte eine ansteigende Expression linienspezifischer Markergene mit zunehmender Differenzierung der Zellen. Darüberhinaus lassen sich differentielle Gene definieren, die für die einzelnen hämatopoetischen Linien und den Zeitpunkt der Expression im untersuchten Zeitrahmen spezifisch sind. Die Anzahl zellreihenübergreifender „Schlüsselgene“ im Verlauf der normalen hämatopoetischen Differenzierung ist stark begrenzt. Lediglich ein Gen (CD86) wird in allen drei hämatopoetischen Linien exprimiert. 2. Gibt es spezifische Genexpressionsmuster, die für die Differenzierung der unterschiedlichen hämatopoetischen Zellreihen charakteristisch sind? Mit Hilfe der „Class membership prediction“ konnte ein Set von 53 Genen identifiziert werden, deren Expression zu unterschiedlichen Zeitpunkten in den einzelnen hämatopoetischen Linien eine Klassifizierung der Einzelproben gemäß dem determinierenden Stimulus zulassen. Diese prädiktiven Gene haben ein spezifisches Expressionsmuster, das Zellen der Erythro-, Granulo- oder Megakaryopoese charakterisieren kann. 3. Ist eine Differenzierung von CD34+ Stammzellen im in vitro Modell möglich? Lassen sich normale Stammzellen und Stammzellen von Patienten mit MDS unterscheiden? Es wurde ein in vitro Modell zur Untersuchung von differenzierenden hämatopoetischen Stammzellen etabliert und eine liniendeterminierte Differenzierung normaler Stammzellen durch Morphologie und Immunophänotyp bestätigt. Die Untersuchungen zeigen, dass die Differenzierung und Proliferation in vitro differenzierter Zellen bei Patienten mit MDS im Vergleich zu normalen Zellen vermindert ist. Diese in vitro Daten korrelieren gut mit klinischen Befunden des MDS, wonach die veränderte Proliferation und Differenzierung der Stammzellen die Insuffizienz der Hämatopoese beim MDS nach sich zieht. 4. Gibt es Gene, welche die differenzierende myelodysplastische Stammzelle charakterisieren können ? Mittels globaler Genexpressionsanalyse differenzierender CD34+ Zellen ist es möglich, zwischen der Gruppe der low risk MDS, der Gruppe der high risk MDS sowie normalen CD34+ Zellen zu unterscheiden. Diese Ergebnisse könnten für die Einschätzung des Krankheitsrisikos beim MDS herangezogen werden. Die vergleichende Analyse der Genexpression in differenzierenden CD34+ Zellen von gesunden Spendern und MDS-Patienten zeigt, dass die Regulation der Differenzierung beim MDS bereits in CD34+ Zellen und nicht erst auf der Ebene späterer Entwicklungsstufen (wie bisher angenommen) gestört ist. Es konnten eine Reihe von Schlüsselgenen (z.B. DLK1, RAP1GA1, BNIP3L, API5), die in differenzierenden CD34+ Zellen differentiell exprimiert sind, gefunden werden. 5. Welchen Einfluss haben demethylierende und hyperacetylierende Substanzen auf die Genexpression hämatopoetischer Stammzellen? Nur eine relativ begrenzte Anzahl von Genen werden sowohl in normalen als auch in MDS-Zellen durch eine Behandlung mit Decitabine und SAHA induziert bzw. reprimiert. Diese Daten weisen darauf hin, dass die Induktion bzw. Repression der Genexpression in einer gerichteten und spezifischen Art und Weise erfolgen muss. Eine Induktion der Expression konnte in allen verwendeten Stammzelltypen nachvollzogen werden, was zeigt, dass die verwendeten demethylierenden und hyperacetylierenden Substanzen nicht ausschließlich tumorzellspezifisch wirken. Die verstärkte Suppression der Expression von Transkriptionsregulatoren in MDS-Zellen deutet darauf hin, dass eine Verbesserung der Hämatopoese in MDS-Patienten durch Behandlung mit Decitabine und SAHA möglicherweise primär durch die Blockierung von Signalkaskaden und nicht durch die Aktivierung von Tumorsuppressorgenen erreicht wird. 6. Unterscheiden sich die Genexpressionsprofile von low und high risk MDS-Zellen nach Behandlung mit Decitabine und Suberoylanilidhydroxaminsäure? Die veränderte Genexpression in high und low risk MDS-Zellen zeigen nach einer Behandlung mit Decitabine und SAHA unterschiedliche Profile. Die Anzahl von induzierten Genen in high risk MDS-Zellen ist höher als in low risk MDS-Zellen. Nur wenige Gene lassen sich in beiden Zelltypen induzieren (2 Gene). Der Effekt der Behandlung auf das Genexpressionslevel ausgewählter Gene zeigt einen graduellen Verlauf, wobei z.B. die Genexpression in normalen Zellen, hin zu Zellen von low risk MDS und schließlich zu high risk MDS-Zellen abnimmt (Methylierung). Diese Resultate lassen vermuten, dass in normalen und MDS-Zellen zwar die gleichen Gene durch eine Behandlung induziert werden, das Maß der Induktion aber vom Subtyp und möglicherweise von der Schädigung der Zelle abhängt. 7. Welche Hinweise zum Pathomechanismus des MDS können mit Hilfe globaler Genexpressionsanalysen gesammelt werden? Mit Hilfe der Genexpressionsanalysen konnte bestätigt werden, dass Zellen von MDSPatienten bereits auf Ebene der Stammzelle Defekte aufweisen und dass diese alterierten Stammzellen ein transkriptionelles Programm determinieren, das massive Alterationen zum transkriptionelles Programm normaler Zellen aufweist. Eine gestörte Expression essentieller linienspezifischer Markergene der Erythro-, Granulo- und Megakaryopoese konnte identifiziert werden und bestätigt die klinischen Befunde. Im Zuge dieser Untersuchungen sind darüber hinaus neue Kandidatengene, die an der Pathogenese des MDS beteiligt sein könnten erstmals durch eine massiv gestörte Expression im Vergleich zu normalen Zellen gefunden worden.