The JAK2-STAT5 pathway in BCR-ABL+ [BCR-ABL hoch +] leukemia maintenance, progression and imatinib resistance

99% aller Fälle von chronischer myeloider Leukämie (CML) werden durch das Philadelphia (Ph) Chromosom verursacht, welches das Onkogen BCR-ABL endkodiert. In BCR-ABL+ Leukämien werden Resistenzen gegen Medikamente, welche BCR-ABL inhibieren (Tyrosinkinase-Inhibitoren [TKIs]) häufig durch die verstärkte Expression von BCR-ABL oder von Medikamenten-Transportern, als auch durch BCR-ABL Mutationen verursacht. Die vorliegende Arbeit zeigt, daß der Transkriptionsfaktor STAT5 ein weiterer Parameter ist, der die Sensitivität von BCR-ABL+ Zellen gegenüber TKIs wie Imatinib, Nilotinib oder Dasatinib bestimmt. BCR-ABL+ Zellen, welche hohe Mengen an STAT5 expremieren, zeigen eine signifikant erniedrigte Sensitivität gegenüber Apoptose-Induktion verursacht durch TKIs sowohl in vitro als auch in vivo. Die protektive Wirkung von STAT5 ist selektiv für BCR-ABL Inhibitoren und erstreckt sich nicht auf andere Chemotherapeutika wie Hydroxyurea, Interferon-[beta] oder Aca-dC. Der durch STAT5 vermittelte Schutz erfordert die Tyrosine-Phosphorylierung von STAT5 und damit transkriptionelle Aktivität, ist jedoch unabhängig von JAK2. Diese Befunde wurden in Mäusen und Zelllinien erhoben. Bestätigung fanden sie durch Analysen von Patientenproben; in Patienten mit Ph+ CML nimmt die Menge an STAT5 mRNA und Protein unter Imatinib Behandlung und im Laufe des Krankheitsverlaufes zu. Diese Daten implizieren folgendes Modell: im Laufe des Krankheitsfortschrittes in BCR-ABL+ Leukämien kommt es zu einer Hochregulation der STAT5-Expression, die eine erhöhte TKI-Resistenz bedingt. Ursächlich könnte eine klonale Selektion von Zellen mit hohen Mengen an STAT5 Protein dem Phänomen zugrunde liegen. Diese bedingt dann die erhöhte Resistenz gegen TKIs, woraus sich die häufige Notwendigkeit einer Dosiserhöhung bei Patienten in einer fortgeschrittenen Phase der Erkrankung ergibt. Des weiteren deuten unsere Ergebnisse darauf hin, daß STAT5 ein attraktives therapeutisches Zielmolekül ist. Inhibitoren gegen STAT5 könnten das Auftreten von Imatinib-Resistenz in BCR-ABL+ Leukämien minimieren. Darüber hinaus ist die Expression und Aktivierung von STAT5 eine Voraussetzung für die BCR-ABL induzierte Transformation und für die Aufrechterhaltung der Leukämie. Der STAT5-aktivierende Mechanismus ist dennoch unbekannt. In untransformierten, hematopoietischen Zellen ist die Tyrosinkinase JAK2 für die Phosphrilierung von STAT5 verantwortlich. Unter Verwendung von Mausmodellen für Ph+ Leukämien in Kombination mit induzierbarer JAK2-Deletion konnten wir zeigen, daß für die initiale lymphoide Transformation JAK2 ein essentieller Faktor ist. Sobald allerdings die Leukämie etabliert ist, verliert JAK2 an Bedeutung und hat keine Relevanz für den Erhalt der Leukämie. Im Gegensatz dazu war bei der myeloiden Form der Leukämie bereits bei der initialen Transformation keine essentielle Rolle für JAK2 nachweisbar. STAT5 ist auch in der Abwesenheit von JAKs phosphoriliert. Dennoch lösen JAK2 TKIs Apoptose in BCR-ABL+ Zellen aus. Wir konnten nachweisen, daß dies durch eine direkte Inhibierung des "off-targets" BCR-ABL verursacht wird. Zusätzlich zeigen zelluläre und enzymologische Analysen, daß STAT5 ein direktes Substrat von BCR-ABL ist. Zusammenfassend lässt sich schließen, daß eine Inhibierung von JAK2 keine therapeutische Relevanz in CML hat und unterstreicht des weiteren die Notwendigkeit sich auf eine direkte Inhibierung von STAT5 zu konzentrieren.99% of all cases of Chronic Myeloid Leukemia (CML) is caused by the Philadelphia (Ph) chromosome-encoded BCR-ABL oncogene. In BCR-ABL+ leukemia, drug resistance is frequently associated with up-regulation of BCR-ABL1 or multidrug transporters as well as by the occurrence of BCR-ABL mutations. Here we show that the expression level of the transcription factor STAT5 is another parameter that determines the sensitivity of BCR-ABL+ cells against BCR-ABL directed tyrosine kinase inhibitors (TKI) such as imatinib, nilotinib or dasatinib. Abelson-transformed cells expressing high levels of STAT5 were found to be significantly less sensitive to TKI-induced apoptosis in vitro and in vivo but not to other cytotoxic drugs such as hydroxyurea, interferon-[beta] or Aca-dC. The STAT5 mediated protection requires tyrosine-phosphorylation of STAT5 independent of JAK2 and transcriptional activity. In support of this concept, under imatinib treatment and with disease progression, STAT5 mRNA and protein levels increased in patients with Ph+ chronic myeloid leukemia. Based on our data, we propose a model in which disease progression in BCR-ABL+ leukemia leads to up-regulated STAT5 expression. This may be in part due to clonal selection of cells with high STAT5 levels. STAT5 then accounts for the resistance against TKIs thereby explaining the dose-escalation frequently required in patients reaching accelerated phase. It also suggests that STAT5 may serve as an attractive target to overcome imatinib resistance in BCR-ABL+ leukemia. In order to search for possibilities to target STAT5, we wanted to analyze the molecules essential for STAT5 activation. This is of particular relevance as STAT5 has been shown to be an importantl survival factor for CML and its expression is a prerequisite for BCR-ABL-induced transformation and leukemia maintenance. However, the mechanisms of STAT5 activation, including its upstream tyrosine kinase(s) that may be targeted are not understood. In normal untransformed hematopoietic cells, JAK2 is the dominant upstream kinase of STAT5 crucial for its activation. TKIs for JAK2 have been discussed as treatment option for CML patients. Using murine models of Ph+ leukemia combined with inducible ablation of JAK2, we describe that JAK2-dependence for initial lymphoid transformation, which is lost once the leukemia is established. In contrast, initial myeloid transformation and leukemia maintenance was JAK2-independent. Nevertheless, several JAK2 TKIs induced apoptosis in BCR-ABL+ cells irrespectively whether JAK2 is present or not. This is linked to a previously unknown direct 'off-target' inhibition of BCR-ABL by JAK2 TKIs. Cellular and enzymological analyses suggest that STAT5 is a substrate of the BCR-ABL kinase. Our findings show that JAK2 is dispensable once a Ph+ leukemia is established, as STAT5 is directly phosphorylated by BCR-ABL, making JAK2 targeting superfluous and highlighting the necessity to concentrate on STAT5 itself as a potential drug target.submitted by Wolfgang WarschAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in dt.SpracheWien, Med. Univ., Diss., 2011OeBB(VLID)188346