In vivo consequences of AML1-ETO fusion protein expression for hematopoiesis

The t(8;21) (q22;q22) translocation fusing the ETO (also known as MTG8) gene on human chromosome 8 with the AML1 (also called Runx1 or CBFα) gene on chromosome 21 is one of the most common genetic aberrations found in acute myeloid leukemia (AML). This chromosomal translocation occurs in 12 % of de novo AML cases and in up to 40 % of the AML-M2 subtype of the French-American-British classification. To date, the in vivo function of aberrant AML1-ETO fusion protein expression has been investigated by several groups. However, in these studies, controversial results were reported and some key issues remain unknown. Importantly, the consequences of aberrant AML1-ETO expression for self-renewing hematopoietic stem cells (HSCs), multipotent hematopoietic progenitors (MPPs) and lineage-restricted precursors are not known. rn The aim of this thesis was to develop a novel experimental AML1-ETO in vivo model that (i) overcomes the current lack of insight into the pre-leukemic condition of t(8;21)-associated AML, (ii) clarifies the in vivo consequences of AML1-ETO for HSCs, MPPs, progenitors and more mature blood cells and (iii) generates an improved mouse model suitable for mirroring the human condition. For this purpose, a conditional tet on/off mouse model expressing the AML1-ETO fusion protein from the ROSA26 (R26) locus was generated. rn Aberrant AML1-ETO activation in compound ROSA26/tetOAML1-ETO (R26/AE) mice caused high rates of mortality, an overall disruption of hematopoietic organs and a profound alteration of hematopoiesis. However, since the generalized activity of the R26 locus did not recapitulate the leukemic condition found in human patients, it was important to restrict AML1-ETO expression to blood cell lineages. Therefore, bone marrow cells from non-induced R26/AE mice were adoptively transplanted into sublethal irradiated RAG2-/- recipient mice. First signs of phenotypical differences between AML1-ETO-expressing and control mice were observed after eight to nine months of transgene induction. AML1-ETO-expressing mice showed profound changes in hematopoietic organs accompanied by manifest extramedullary hematopoiesis. In addition, a block in early erythropoiesis, B- and T-cell maturation was observed and granulopoiesis was significantly enhanced. Most interestingly, conditional activation of AML1-ETO in chimeric mice did not increase HSCs, MPPs, common lymphoid precursors (CLPs), common myeloid progenitors (CMPs) and megakaryocyte-erythrocyte progenitors (MEPs) but promoted the selective amplification of granulocyte-macrophage progenitors (GMPs). rn The results of this thesis provide clear experimental evidence how aberrant AML1-ETO modulates the developmental properties of normal hematopoiesis and establishes for the first time that AML1-ETO does not increase HSCs, MPPs and common lineage-restricted progenitor pools but specifically amplifies GMPs. The here presented mouse model not only clarifies the role of aberrant AML1-ETO for shaping hematopoietic development but in addition has strong implications for future therapeutic strategies and will be an excellent pre-clinical tool for developing and testing new approaches to treat and eventually cure AML.rnDie t(8;21) (q22;q22) chromosomale Translokation führt zu einer Fusion zwischen dem ETO-Gen (auch bekannt als MTG8) auf dem humanen Chromosom 8 und dem AML1-Gen (Runx1 oder CBFα) auf Chromosom 21 und ist eine der häufigsten genetischen Abberationen, welche bei akuten myeloischen Leukämien (AML) gefunden wird. Das AML1-ETO Fusionsprotein tritt etwa bei 12% aller AML Patienten auf und ist gemäß des französisch-amerikanisch-englischen Klassifizierungsschemas (FAB) bei etwa 40% von AML Patienten der AML-M2 Untergruppe nachweisbar. Trotz intensiver Forschung auf diesem Gebiet, ist die genaue in vivo Funktion dieses Fusionsproteins weiterhin größtenteils unbekannt. Vor allem der Einfluss von AML1-ETO auf hämatopoetische Stammzellen (HSZ), multipotente hämatopoetische Vorläuferzellen (MHV) und linienrestringierte Progenitoren ist unbekannt.rnDas Ziel der vorliegenden Arbeit war die Etablierung eines neuen AML1-ETO Mausmodells, welches (a) ein besseres Verständnis für die frühe Pathogenesse von AML mit t(8;21) liefert, (b) eine Untersuchung der Funktion von AML1-ETO in HSZ, MHV, unreifen und reifen Blutzellen ermöglicht und (c) die Situation im Patienten möglichst genau widerspiegelt. Hierfür wurde ein tet on/off Mausmodell entwickelt, in dem die Expression des AML1-ETO Fusionproteins unter dem Einfluss des ROSA26 (R26)-Lokus steht.rnAberrante Expression von AML1-ETO in ROSA26/tetOAML1-ETO (R26/AE) Mäusen führte zu einer hohen Mortalität, einer Atrophie hämatopoetischer Organe und einer gestörten Blutzellbildung. Aufgrund der ubiquitären Aktivität des R26-Lokus im Organismus, war es wichtig, die Induktion von AML1-ETO auf Blutzellen zu beschränken, um so die im Patienten gefundene Situation zu rekapitulieren. Um diese Voraussetzung experimentell umzusetzen, wurden Knochenmarkzellen aus nicht induzierten R26/AE Mäusen in subletal bestrahlte RAG2-/- Mäuse adoptiv transferiert. Nach acht bis neun Monaten zeigten sich in den AML1-ETO induzierten Mäusen erste phänotypische Veränderungen. Diese äußerten sich in einer Atrophie hämatopoetischer Organe sowie der Induktion von extramedullärer Hämatopoese. Des Weiteren wurde durch AML1-ETO Expression die initiale Ausreifung von roten Blutzellen, B- und T-Zellen blockiert, die Granulopoese jedoch verstärkt. Interessanterweise führt die konditionelle Aktivierung von AML1-ETO in chimären Mäusen nicht zu einer Vermehrung von HSZ, MHV, gemeinsamen lymphopoietischen, myeloischen und Megakaryo-/Erythrozytären-Vorläufer, aber zu einer spezifischen Expansion der Granulozyten-/Makrophagen-Vorläuferzellen (GMV).rnDie vorliegende Arbeit beschreibt den Einfluss von AML1-ETO Expression auf die normale Hämatopoese und zeigt erstmals, dass AML1-ETO keine Auswirkung auf HSZ, MHV und gemeinsame linienrestringierte Vorläuferpopulationen hat, sondern zu einer spezifischen Expansion von GMV führt. Im Rahmen dieser Arbeit ist es mit Hilfe des hier etablierten Mausmodells gelungen, die funktionelle Auswirkung aberranter AML1-ETO Aktivierung für die Entwicklung von Blutzellen aufzuklären und gleichzeitig neue Therapiestrategien für die zukünftige Behandlung von AML aufzuzeigen.r