Biochemical and genetic characterization of thrombopoietin signaling in thrombocytopenia-absent radii syndrome

Danksagung Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Hämatopoese 1.2 Megakaryopoese und Thrombopoese 1.2.1 Differenzierung der HSC zum Thrombozyt 1.2.2 TPO-induzierte Megakaryopoese 1.2.2.1 TPO und sein Rezeptor c-Mpl 1.2.2.2 TPO-induzierte Signaltransduktion reguliert die Megakaryopoese 1.2.3 TPO-unabhängige Regulation der Megakaryopoese und Thrombopoese 1.3 Angeborene Thrombozytopenien 1.4 TAR-Syndrom 1.4.1 Symptome, Phänotyp und Kenntnisstand 1.4.2 Genetische Ursachen 1.5 Zielsetzung der Arbeit 2 Material und Methoden 2.1 Material 2.1.1 Chemikalien 2.1.2 Antikörper (Ak) 2.2 Häufig verwendete Puffer 2.3 Oligonukleotide der Mikrodeletionsgene 2.4 Zellkultur 2.4.1 Lymphoblastoide Zelllinien 2.4.2 Differenzierung von HSCs zu Megakaryozyten 2.5 Biochemische Untersuchungen 2.5.1 Analyse der TPO-induzierten Signaltransduktion 2.5.1.1 Probenaufbereitung: Isolation und Stimulation der Thrombozyten 2.5.1.2 Phosphorylierungsstudien der Signalmoleküle – Immunblot 2.5.1.3 Electrophoretic mobility shift Assay (EMSA) 2.5.2 Enzyme linked Immunosorbent Assay (ELISA) 2.6 Molekularbiologische Arbeiten 2.6.1 DNA- Isolation aus mononukleären Zellen 2.6.2 RNA-Isolation 2.6.3 Reverse Transkription der RNA in cDNA 2.6.4 Genexpressionsanalyse mittels qRT-PCR 2.6.4.1 Kinetik der qRT-PCR und Bestimmung des CT-Werts 2.6.4.2 Reaktionsbedingungen der qRT-PCR 2.6.4.3 Bestimmung der Amplifikationseffizienz 2.6.4.4 Relative Quantifizierung mittels CT-Methode 2.7 Durchflusszytometrie 2.8 Densitometrie 2.9 Statistische Auswertungen 3 Ergebnisse 3.1 Zeitliche Verläufe der Thrombozytenwerte bei TAR-Patienten 3.2 Zwei Muster TPO-induzierter Signaltransduktion in Thrombozyten von TAR- Patienten 3.2.1 Keine TPO-induzierte Phosphorylierung von Jak2 in Thrombozyten von TAR-Patienten unter 18 Jahren 3.2.2 Gestörter Jak/STAT-Signalweg bei TAR- Patienten mit Muster #1 3.2.3 Jak2 ist die Schlüsselkinase der TPO-abhängigen Signalweiterleitung 3.2.4 Thrombozyten von TAR-Patienten mit Muster #1 weisen leicht reduziertes c-Mpl auf 3.3 Der prozentuale Anteil unreifer Thrombozyten (IPF%) ist bei TAR-Patienten mit Muster #2 nicht erhöht 3.4 Normale Plasmaspiegel von SDF-1 und FGF-4 bei TAR-Patienten 3.5 Beitrag der Mikrodeletion zur Thrombozytopenie im TAR-Syndrom 3.5.1 Unauffällige TPO- induzierte Signaltransduktion in Thrombozyten von Eltern mit und ohne Mikrodeletion 3.5.2 Unauffällige mRNA-Expression der Mikrodeletionsgene in LCLs 3.5.3 Hämojuvelin-Nachweis in Thrombozyten von TAR-Patienten 3.5.4 PIAS3-Nachweis in Thrombozyten von TAR-Patienten 3.6 „Modifier of TAR” – Einzelnukleotid-Polymorphismus (SNP) in RBM8A 3.6.1 SNP in RBM8A 3.6.2 Ecotropic viral insertion-1 (Evi-1) bindet an RBM8A-Sequenz mit 5´-UTR-SNP 3.6.3 In Thrombozyten von TAR-Patienten wird eine reduzierte Proteinmenge von Y14 detektiert 4 Diskussion 4.1 Periphere Blutwerte der TAR-Patienten 4.2 Kopplung zwischen TPO-induzierter Signaltransduktion und Thrombozytenbiogenese 4.2.1 Zwei Muster TPO-induzierter Jak/STAT-Signaltransduktion in TAR-Patienten 4.2.2 Jak2 ist die Schlüsselkinase der TPO-induzierten Signaltransduktion 4.2.3 Trotz TPO-induzierter Signaltransduktion haben Patienten mit Muster #2 keine normalen Thrombozytenzahlen 4.2.4 TPO-Rezeptor c-Mpl 4.2.5 TPO- Rekativität in Thrombozyten als Surrogat für das Maß der Megakaryopoese 4.2.6 TPO-unabhängige Thrombozytenbiogenese 4.3 Funktionsdefekt der Thrombozyten von TAR-Patienten 4.4 Mausmodelle für das TAR-Syndrom 4.5 Genetische Aspekte des TAR-Syndroms 4.5.1 Analyse von PIAS3 und Hämojuvelin in Thrombozyten 4.5.2 Analyse der Mikrodeletionsgene in LCLs 4.5.3 „Modifier of TAR“ – SNP in RBM8A 4.6 Ausblick 5 Zusammenfassung 6 Abstract 7 Anhang – Charakteristika der TAR- Patienten und Übersicht der Phosphorylierungs- und SNP-Studien 8 Literaturverzeichnis Eidesstattliche Erklärung Lebenslauf PublikationenThrombozyten sind zellulärer Bestandteil des Blutes und essentiell für die primäre Hämostase. Das Thrombocytopenia-absent radii (TAR)-Syndrom ist eine seltene angeborene Erkrankung, die durch Mangel an Thombozyten (Thrombozytopenie) und Radiusaplasie gekennzeichnet ist. Die Mehrheit der TAR- Patienten zeigte nach den ersten zwei Lebensjahren einen Anstieg der Thrombozytenzahlen auf, bei einem Viertel waren diese zum Teil noch als Erwachsene anhaltend niedrig. Alle Patienten weisen eine Mikrodeletion auf Chromosom 1q21 auf. Zu 75% wird diese von einem gesunden Elternteil vererbt. Somit ist die Deletion zur Ausprägung des TAR-Syndroms notwendig, aber nicht ausreichend. Die molekularen Ursachen der Erkrankung sind bislang kaum verstanden. In dieser Arbeit wurde die Thrombopoietin (TPO)-induzierte Signaltransduktion in Thrombozyten von TAR-Patienten für ein besseres Verständnis der Thrombozytenbiogenese charakterisiert. In zwölf TAR-Patienten unter 18 Jahren mit sehr geringen Thrombozytenzahlen wurde eine defekte TPO- induzierte Signaltransduktion des Jak/STAT-, PI3K/Akt- und Raf/Erk-Signalwegs in Thrombozyten nachgewiesen (Muster #1). Ursächlich dafür ist die nicht phosphorylierbare Januskinase 2. Diese konnte erstmals ex vivo als Schlüsselkinase der TPO-induzierten Signaltransduktion bestätigt werden. Elf TAR-Patienten über 18 Jahren zeigten eine unauffällige TPO-induzierte Signaltransduktion (Muster #2). Trotzdem weisen diese Patienten Thrombozytenzahlen unterhalb des Referenzbereichs auf. In gesunden Elternteilen der TAR-Patienten (mit und ohne Mikrodeletion) wurde in den Thrombozyten eine unauffällige TPO-induzierte Signaltransduktion detektiert. Somit hat die Mikrodeletion allein keinen negativen Einfluss auf die Thrombozytenbiogenese. In der vorliegenden Arbeit konnte außerdem gezeigt werden, dass c-Mpl (der Rezeptor für TPO) in Thrombozyten von TAR-Patienten mit Muster #1 etwas reduziert war, was ebenfalls zur verminderten Reaktivität der TPO-induzierten Signaltransduktion beitragen kann. Da aber Patienten mit Muster #2 und Kontrollpersonen vergleichbare Mengen des Proteins in Thrombozyten aufweisen, ist eine reduzierte Menge an c-Mpl als Ursache für die Thrombozytopenie beim TAR-Syndrom unwahrscheinlich. Der Wechsel zwischen Muster #1 und #2 erfolgt viele Jahre später als der Anstieg der Thrombozytenzahlen, was eine Entkopplung zwischen TPO-Reaktivität und Thrombozytenbiogenese beim TAR-Syndrom nahelegt. Mittels Next generation sequencing wurden in der DNA von TAR-Patienten zwei seltene Einzelnukleotid- Polymorphismen (SNPs) in regulatorischen Gensequenzen von RNA binding motif protein 8A (RMB8A), einem Gen innerhalb der Mikrodeletion, identifiziert. Liegt einer dieser SNPs zusammen mit dem funktionalen Verlust von RBM8A auf dem anderen Allel vor, so verursachen diese mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit das TAR-Syndrom. Patienten erhalten einen der beiden SNPs in RBM8A von einem Elternteil und zu 75% vom anderen Elternteil die Mikrodeletion. Zu 25% entsteht sie de novo. Durch den SNP im 5´-UTR-Bereich ergibt sich eine zusätzliche Bindungsstelle für den gewebespezifisch-exprimierten transkriptionellen Repressor Ecotropic viral insertion 1. In TAR-Patienten ist die Proteinmenge von RBM8A reduziert. Inwieweit dies zur Thrombozytenbiogenese (und Radiusaplasie) beiträgt, sollte in Zukunft geklärt werden.Platelets are cellular blood components and essential for primary hemostasis. Thrombocytopenia-absent radii (TAR)-syndrome ist a rare congenital disorder with a lack of platelets (thrombocytopenia) and bilaterial radius aplasia. While most TAR-patients show ameliorated platelet counts within the first two years of life, about one quart suffers from very low platelet even into adulthood. All patients harbor a microdeletion on chromosome 1q21. In 75% of patients the microdeletion is inherited by on healthy parent implying that it is essential but not sufficient for causing TAR-syndrome. So far, the molecular causes underlying the disease are ill-defined. In this work the thrombopoietin (TPO)-induced signaling in platelets was characterized for a better understanding of regulation of thrombopoiesis in TAR-patients. 12 TAR- patients under 18 years with very low platelet counts showed a defective TPO- dependent Jak/STAT-, PI3K/Akt- und Raf/Erk signaling in platelets (pattern #1). The cause therefor is nonphosphorylatable Januskinase 2. It could be shown ex vivo that Januskinase 2 is the keyregulator for TPO-induced signaling. In contrast, inconspicuous TPO-dependent Jak/STAT-, PI3K/Akt- und Raf/Erk signaling was detected in 11 TAR-patients over 18 years (pattern #2). Despite normal signaling, these TAR-patients still have low platelet counts. Parents of the patients (with and without microdeletion) showed normal TPO- dependent signaling and platelet counts. Thus the microdeletion itself does not negatively contribute to the platelet production. Patients with pattern #1 show a slightly reduced protein level of the TPO receptor c-Mpl in platelets, which could contribute to the platelet production defect. However, patients with pattern #2 and controls have comparable c-Mpl-levels but differ in platelet production. Thus, a reduced c-Mpl protein level as cause for the TAR- syndrom is unlikely. The switch from pattern #1 to #2 was observed many years later than the increase in platelet counts, implying that TPO-reactivity and platelet production might be uncoupled in TAR syndrome. Via Next generation sequencing two rare single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the regulatory gene sequence of RNA binding motif protein 8A (RMB8A), a gene within the microdeletion, were discovered in all TAR-patients analyzed. One of these SNPs together with the functional loss of RBM8A on the other allele cause TAR- syndrome. We could show that the SNP is inherited from one parent while the microdeletion is inherited to 75% from the other parent and occurs de novo in 25% of patients. In this work I could show that one of the SNPs generates a new binding site for the tissue specific-expressed transcriptional repressor Ecotropic viral insertion 1. Patients have reduced expression of RBM8A protein level in platelets. How far these findings contribute to the thrombocytopenia (and radius aplasia) in TAR-syndrome should be analyzed in the future