Oncogene metabole map in Leukemie; De weg naar verbeterde therapeutische strategieën

Achtergrond

Een belangrijke kanker hallmark is het herschikken van cel metabolisme. Kankercellen doen dit om optimaal gebruik te kunnen maken van metabolieten onder condities van stress of wanneer ze zich bevinden in hypoxische omgeving waar weinig beschikbaarheid is van metabolieten. Kankercellen verhogen bijvoorbeeld hun serine/glycine synthese, waardoor ze afhankelijk worden van hun eigen productie in plaats van opname uit de omgeving. Kankercellen verhogen hun serine/glycine synthese voor de productie van nucleotiden en om oxidatieve stress te kunnen onderdrukken door het genereren van glutathion, maar kunnen via deze route ook DNA methylatie en lipide profielen veranderen. De serine/glycine route bestaat uit een reeks enzymatische reacties verzorgt door PHGDH, PSAT1, PSPH, en SHMT1/2. De serine/glycine synthese wordt door normale cellen bijna niet gebruikt. Normale cellen nemen serine en glycine op uit hun omgeving.

Er zijn een aantal genetische defecten bekend die de serine/glycine synthese in kankercellen kan verhogen. Zo kunnen enzym amplificaties ervoor zorgen dat de route meer gebruikt wordt door de kankercellen. Tevens hebben kankercellen met een MYC amplificatie ook verhoogde expressie van serine/glycine synthese enzymen. Andere voorbeelden zijn mutaties in NRF2, KEAP, KRAS en RPL10 R98S.

Preliminaire data

Wij hebben naast de ontdekking van verhoogde enzym translatie door de RPL10 R98S mutatie in T-cel leukemie nog een andere regulator van het enzym PSPH ontdekt. NKX2-1 mutaties en amplificaties worden gevonden in patiënten met T-cel leukemie, longkanker en prostaatkanker. Deze transcriptie factor bindt aan een enhancer regio in PSPH en zorgt daardoor voor verhoogde transcriptie van PSPH. Dit resulteert in de activatie van de serine/glycine route. We kunnen verhoogde glycine levels terugvinden in het bloed van muizen met subcutane longtumoren ten opzichte van exact dezelfde controle longkanker cellen zonder NKX2-1.

Naast deze activerende genetische drivers van de serine/glycine route hebben we ook nieuwe aanwijzingen dat IKZF1/Ikaros een repressieve functie heeft met betrekking tot PSPH-transcriptie. IKZF1 deleties zijn veel voorkomend in B-cel leukemiepatiënten en zijn gelinkt aan ziekte herval. Met behulp van publieke data hebben we gevonden dat IKZF1 kan binden aan de promotor regio van PSPH. In RNA seq data zien we dat LPS-gestimuleerde monocyten met IKZF1 inactiviteit verhoogde expressie hebben van PSPH. Vervolgens hebben we in drie onafhankelijke leukemie modellen kunnen tonen dat verlies van IKZF1 zorgt voor verhoogde glycine levels in het medium zowel als in de leukemie cellen zelf. Deze data geven aan dat IKZF1 inderdaad een mogelijke repressie functie heeft op PSPH, wat we in deze studie verder willen uitzoeken.

Omdat we altijd op zoek zijn naar nieuwe therapeutische middelen om de huidige therapieën voor kankerpatiënten minder toxisch en meer specifiek te maken, zijn we op zoek gegaan naar remmers van de serine/glycine synthese route. We hebben een antidepressiva gevonden die aangrijpt op het enzym SHMT2. We hebben directe binding kunnen aantonen en met serine en glucose tracking experimenten verlaagde SHMT2 activiteit kunnen aantonen wanneer kanker cellen behandeld worden met sertraline. SHMT2 is verantwoordelijk voor de directionele conversie van serine naar glycine in de mitochondriën. Terwijl normale cellen voornamelijk gebruik maken van SHMT1 in het cytosol, lijkt verhoogde expressie van SHMT2 exclusief voor kankercellen. Sertraline werkt specifiek op borstkankercellen met een PHGDH amplificatie, RPL10 R98S mutant lymfoïde cellen, en ook op de NKX2-1 longkanker cellen. In deze studie willen we sertraline dus gaan combineren met conventionele en nieuwere therapieën om tot betere combinatie therapieën te komen voor serine/glycine afhankelijke kankers, zoals IKZF1 deficiënte leukemie modellen.

WP#1. Verlies van IKZF1 als oorzaak van verhoogde serine/glycine synthese afhankelijkheid in acute lymfatische leukemie.

Omdat IKZF1 deleties in leukemie patiënten vaak heterozygoot zijn, maken we gebruik van zowel shRNA gebaseerd verlies van IKZF1 maar ook van CRISPR/Cas9 gebaseerde heterozygoot verlies van IKZF1 in T-cel en B-cel leukemie cel modellen en ook in normale B/T-cel modellen. In deze modellen gaan we kijken naar de effecten van IKZF1 verlies op:

1. Cel proliferatie en overleving.
2. Expressie van serine/glycine synthese enzymen.
3. Binding van IKZF1 aan de promotors/enhancers van de serine/glycine synthese enzym genen.

Vervolgens gaan we met behulp van gelabeld glucose kijken of de IKZF1 deficiënte cellen meer serine en glycine produceren en kunnen we volgen waar de cellen deze geproduceerde serine en glycine voor gebruiken. Hierna gaan we bekijken of we in de IKZF1 deficiënte cellen veranderingen zien van hun DNA methylatie en lipide profielen.

WP#2 Onderzoeken van IKZF1 afhankelijke metabolische veranderingen in vivo.

We weten uit vorige studies dat muizen met leukemie verhoogde glycine levels tonen in hun bloed. Wij willen uitzoeken of dit ook het geval is in IKZF1 deficiënte modellen. Ook willen we met behulp van in vivo tracking van gelabeld glucose kijken naar de metabolische opmaak van verschillende leukemie geassocieerde organen, zoals het beenmerg, de milt, en het bloed. Vervolgens willen we kijken of serine/glycine serum levels gebruikt kunnen worden als biomarker om patiënten met een verhoogd serine/glycine synthese op te sporen, omdat deze mogelijk in aanmerking komen voor een aanvullend sertraline behandeling. Ook zouden we de serine/glycine bloed levels kunnen gebruiken om te kijken naar de progressie van de ziekte en het respons op therapie.

WP#3 Ontwikkelen en testen van synergistische combinatie therapieën met sertraline

We willen eerst in vitro een scala aan therapeutische combinaties testen op hun selectiviteit en synergistische werking om serine/glycine afhankelijke IKZF1 deficiënte leukemie te remmen. Dit gaan we doen door combinatie indexen te bepalen tussen sertraline in combinatie met huidige en nieuw ontwikkelde therapieën voor leukemie. Hierna gaan we de twee meest veelbelovende combinaties in muismodellen uittesten, waar we zowel gebruik maken van IKZF1 cel modellen en patiënt afkomstige IKZF1 deficiënte leukemie modellen.

Verwachte uitkomsten

Op basis van de resultaten die we uit deze studie verkrijgen hopen we een nieuwe therapeutische behandelstrategie in de kliniek toe te kunnen passen baseert op het gebruik van sertraline in leukemiepatiënten die verhoogde serine/glycine levels tonen in hun bloed bij diagnose. Hiermee hopen we de overleving te vergroten, de intensiviteit van de therapie schema’s te kunnen reduceren, de lange termijneffecten te verminderen en herval van de ziekte te voorkomen.