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Background: Chronic myelogenous leukemia (CML) and Philadelphia chromosome-positive (Ph+) acute lymphatic leukemia (Ph + ALL) are caused by the t(9;22), which fuses BCR to ABL resulting in deregulated ABL-tyrosine kinase activity. The constitutively activated BCR/ABL-kinase "escapes" the auto-inhibition mechanisms of c-ABL, such as allosteric inhibition. The ABL-kinase inhibitors (AKIs) Imatinib, Nilotinib or Dasatinib, which target the ATP-binding site, are effective in Ph + leukemia. Another molecular therapy approach targeting BCR/ABL restores allosteric inhibition. Given the fact that all AKIs fail to inhibit BCR/ABL harboring the 'gatekeeper' mutation T315I, we investigated the effects of AKIs in combination with the allosteric inhibitor GNF2 in Ph + leukemia.
Methods: The efficacy of this approach on the leukemogenic potential of BCR/ABL was studied in Ba/F3 cells, primary murine bone marrow cells, and untransformed Rat-1 fibroblasts expressing BCR/ABL or BCR/ABL-T315I as well as in patient-derived long-term cultures (PDLTC) from Ph + ALL-patients.
Results: Here, we show that GNF-2 increased the effects of AKIs on unmutated BCR/ABL. Interestingly, the combination of Dasatinib and GNF-2 overcame resistance of BCR/ABL-T315I in all models used in a synergistic manner.
Conclusions: Our observations establish a new approach for the molecular targeting of BCR/ABL and its resistant mutants using a combination of AKIs and allosteric inhibitors.
Patienten mit einer BCR/ABL positiven (Ph+) akuten lymphatischen Leukämie (ALL) bilden die größte genetisch definierte Untergruppe der ALL und gelten wegen ihrer schlechten Prognose als Höchstrisiko ALL. Die bisherigen Therapieergebnisse werden durch die Kombination von Tyrosin-Kinase-Inhibitoren (TKI) wie Imatinib und Chemotherapeutika verbessert, sind aber durch das Auftreten von Resistenzen gegen TKI in ihrer langfristigen Wirkung limitiert. Die derzeitige Forschung fokussiert sich weitestgehend auf konstitutive aktive Kinasen, die für die leukämische Transformation verantwortlich sind. Allerdings kann die Deregulation von Phosphatasen, die als Gegenspieler von Kinasen fungieren, durch eine verminderte Inaktivierung dieser Kinasen, ebenso zur Leukämogenese beitragen, indem ihre physiologische Funktion vermindert wird. Im Vorfeld konnte bereits gezeigt werden, dass die deregulierte Protein Tyrosin Phosphatase 1B (PTP1B) bei Ph+ Leukämien eine partielle Resistenz gegenüber TKI vermitteln kann.1 Darüber hinaus zeigen von Juric et al. (2007)2 publizierte Microarrays von 54 Ph+ ALL Patienten eine transkriptionelle Hochregulierung der Phosphatase „Supressor of T-Cell receptor Signalling 1“ (STS-1).2 STS-1 (TULA-2) gehört zusammen mit STS-2 (TULA-1) zur Familie der STS/TULA Proteine, von denen keine weiteren Mitglieder bekannt sind. STS-1 dephosphoryliert diverse Rezeptor-Tyrosin-Kinasen wie z.B. den T-Cell Receptor (TCR) und den Epidermal-Growth-Factor Receptor (EGFR) und verhindert somit deren Internalisierung und proteosomalen Abbau.3 Weitere durch STS-1 dephosphorylierte Substrate sind die Proteintyrosinkinase Syk, die eine wichtige Rolle bei der Signalweiterleitung des B-Cell-Receptors (BCR) spielt sowie andere SRC-Kinasen (z.B. FYN).4 Aufgrund der oben beschriebenen Zusammenhänge zwischen STS-1 und der Ph+ ALL ist die Untersuchung einer möglichen funktionellen Bedeutung von STS-1 bei der Entwicklung einer mutationsunabhängigen Resistenz von Ph+ ALL Inhalt dieser Arbeit. Als Modellsystem dienen in der hier vorliegenden Arbeit aus der BCR/ABL Zelllinie Sup B15 abgeleitete TKI resistente Zellen (Sup B15 RT). Imatinib ist in diesen immer noch in der Lage BCR/ABL zu binden und führt zu einer Verschiebung der Dosiswirkungskurve ohne Apoptose zu induzieren. Mutationen in der Tyrosinkinase Domäne von BCR/ABL konnten als zugrunde liegender Resistenzmechanismus durch Sequenzanalysen ausgeschlossen werden, ebenso wie zusätzliche Translokationen oder genomischen Amplifikationen von BCR/ABL. Eine Analyse der STS-1 Expression zeigte sowohl transkriptionell als auch auf Proteinebene eine deutliche Herunterregulierung von STS-1 in Sup B15 RT Zellen. Die Interaktion zwischen STS-1 und BCR/ABL wurde in verschiedenen Zellmodellen gezeigt. Dabei konnten bezüglich der Interaktion keine Unterschiede zwischen dem p210BCR/ABL und p185BCR/ABL Fusionsprotein festgestellt werden. Auch die „Gatekeeper“ Mutation T315I hatte keinen Einfluss auf die Interaktion. Die Unabhängigkeit der Bindung von STS-1 und BCR/ABL von einer aktiven BCR/ABL Kinase wurde durch die Zugabe von Imatinib gezeigt. Lediglich auf endogenem Level konnte eine Imatinib vermittelte Reduktion der Interaktion nachgewiesen werden. Durch die Verwendung unterschiedlich trunkierter BCR/ABL Proteine wurde gezeigt, dass STS-1 sowohl mit c-ABL als auch mit dem ABL-Anteil von BCR/ABL interagiert und dass eine Oligomerisierung für diese Interaktion nicht notwendig ist. Als Folge der Interaktion kommt es zu einer Dephosphorylierung von BCR/ABL durch STS-1, wobei vor allem die im ABL Anteil lokalisierten und für die Autophosphorylierung wichtigen Tyrosine 245 und 412 dephosphoryliert werden. Mittels eines Proliferations-Kompetitions-Assay konnte gezeigt werden, dass STS-1 sowohl die Proliferationsrate reduziert als auch erheblich die Sensitivität von SupB15 RT Zellen gegenüber Imatinib steigert. Dieser Befund steht im Einklang mit der Annahme, dass diese Sensitivitätssteigerung durch eine gegenüber den sensitiven Sup B15 WT deutlich verminderte STS-1 Expression bedingt ist. Dexamethason in klinisch relevanten Konzentrationen (10-6 M - 10-9 M) konnte sowohl in SupB15 WT als auch in SupB15 RT Zellen die STS-1 Expression um ein Vielfaches steigern und führte in Kombination mit 1 μM Imatinib sogar in den resistenten Zellen zu einer hoch signifikanten Inhibition der Proliferation sowie einer gesteigerten Apoptose. Die Resultate dieser Arbeit rücken Phosphatasen und im speziellen STS-1 in einen stärkeren Fokus, wenn es um die Bildung von Resistenzen geht. Dadurch können sich eine Vielzahl neuer Behandlungsstrategien sowie neue Ansätze für die klinische Wirkstoffforschung ergeben.
Background: The t(9;22) translocation leads to the formation of the chimeric breakpoint cluster region/c-abl oncogene 1 (BCR/ABL) fusion gene on der22, the Philadelphia chromosome. The p185(BCR/ABL) or the p210(BCR/ABL) fusion proteins are encoded as a result of the translocation, depending on whether a "minor" or "major" breakpoint occurs, respectively. Both p185(BCR/ABL) and p210(BCR/ABL) exhibit constitutively activated ABL kinase activity. Through fusion to BCR the ABL kinase in p185(BCR/ABL) and p210(BCR/ABL) "escapes" the auto-inhibition mechanisms of c-ABL, such as allosteric inhibition. A novel class of compounds including GNF-2 restores allosteric inhibition of the kinase activity and the transformation potential of BCR/ABL. Here we investigated whether there are differences between p185(BCR/ABL) and p210(BCR/ABL) regarding their sensitivity towards allosteric inhibition by GNF-2 in models of Philadelphia chromosome-positive acute lymphatic leukemia.
Design and methods: We investigated the anti-proliferative activity of GNF-2 in different Philadelphia chromosome-positive acute lymphatic leukemia models, such as cell lines, patient-derived long-term cultures and factor-dependent lymphatic Ba/F3 cells expressing either p185(BCR/ABL) or p210(BCR/ABL) and their resistance mutants.
Results: The inhibitory effects of GNF-2 differed constantly between p185(BCR/ABL) and p210(BCR/ABL) expressing cells. In all three Philadelphia chromosome-positive acute lymphatic leukemia models, p210(BCR/ABL)-transformed cells were more sensitive to GNF-2 than were p185BCR/ABL-positive cells. Similar results were obtained for p185(BCR/ABL) and the p210(BCR/ABL) harboring resistance mutations.
Conclusions: Our data provide the first evidence of a differential response of p185(BCR/ABL)- and p210(BCR/ABL)- transformed cells to allosteric inhibition by GNF-2, which is of importance for the treatment of patients with Philadelphia chromosome-positive acute lymphatic leukemia.
The BCR/ABL fusion protein is the hallmark of Philadelphia Chromosome positive (Ph+) leukemia. The constitutive activation of the ABL-kinase in BCR/ABL cells induces the leukemic phenotype. Targeted inhibition of BCR/ABL by small molecule inhibitors reverses the transformation potential of BCR/ABL. Recently, we definitively proved that targeting the tetramerization of BCR/ABL mediated by the N-terminal coiled-coil domain (CC) using competitive peptides, representing the helix-2 of the CC, represents a valid therapeutic approach for treating Ph+ leukemia. To further develop competitive peptides for targeting BCR/ABL, we created a membrane permeable helix-2 peptide (MPH-2) by fusing the helix-2 peptide with a peptide transduction tag. In this study, we report that the MPH-2: (i) interacted with BCR/ABL in vivo; (ii) efficiently inhibited the autophosphorylation of BCR/ABL; (iii) suppressed the growth and viability of Ph+ leukemic cells; and (iv) was efficiently transduced into mononuclear cells (MNC) in an in vivo mouse model.
This study provides the first evidence that an efficient peptide transduction system facilitates the employment of competitive peptides to target the oligomerization interface of BCR/ABL in vivo.