Optimizing epigenetic therapies of hematological malignancies : identification of novel epigenetic biomarkers and mechanistic study of 5-aza-2'-deoxycytidine

Abstract

Glutathione S-transferase P (GSTP) 1 and prostaglandin-endoperoxide synthase (PTGS) 2 genes are commonly silenced by promoter hypermethylation in various cancers. However, these epimutations remain poorly investigated in leukemia and lymphoma. We hypothesized that DNA methylation-induced GSTP1 and PTGS2 silencing may be involved in hematological malignancies. Our results demonstrated that methylation- associated silencing of GSTP1 and PTGS2 was found in various leukemia and lymphoma cell lines. A correlation was found between GSTP1 chromatin structure and GSTP1 transcriptional state. Interestingly, PTGS2 hypermethylation was observed in many samples from patient with hematological malignancies presenting reduced PTGS2 expression levels. By extending our study to other epigenetically regulated genes, we observed differential proliferation, cell death and DNA demethylation responses of blood cancer cell lines to the DNA demethylating agent 5-aza-2"-deoxycytidine. In conclusion, we identified DNA methylation signatures that could be promising clinical biomarkers in hematological malignancies. Finally, our study provides critical data for a better understanding of the mechanism of action and effects of 5-aza-2"-deoxycytidine that could provide guidance to predict sensitivity and response for a therapeutic use of this compound against hematological malignancies and potentially other cancers.

In Krebszellen liegen die Gene Glutathion-S-transferase P1 (GSTP1) und Prostaglandinsynthase-2 (PTGS2) häufig methyliert vor, jedoch wurden diese Epimutationen in Blutkrebszellen noch kaum untersucht. Wir vermuteten allerdings, dass fehlerhafte Methylierungen eine wichtige Rolle beim Ausschalten dieser Gene in Leukämie- und Lymphomzellen spielen könnte. Unsere Ergebnisse bestätigten diese Annahme und zeigten, dass die Genexpression von GSTP1 und PTGS2 durch die Hypermethylierung der DNA unterdrückt wird. Weiterhin konnte ein Zusammenhang zwischen der GSTP1 Genexpression und Chromatinstruktur hergestellt werden. Interessanterweise konnte die Methylierung des PTGS2 Gens auch in Zellen von Blutkrebspatienten nachgewiesen werden. Die Analyse weiterer epigenetisch regulierter Gene und die Untersuchung der Zellteilung, des Zelltods und der DNA Demethylierung in Blutkrebszellen, welche mit der demethylierenden Substanz 5-Aza-2’-Deoxycytidin behandelt wurden, zeigte dass jede Zelle unterschiedlich auf den Verlust der Methylierung reagiert. Schlussfolgernd sind die Methylierungsmuster der hier beschriebenen Gene vielversprechende Blutkrebsmarker. Weiterhin ermöglichen die Ergebnisse dieser Studie einen Einblick in die Wirkungsweise von 5-Aza-2’-Deoxycytidin in Blutkrebszellen. Diese Erkenntnisse könnten nicht nur eine wichtige Rolle für die Diagnose sondern auch für die Behandlung von Blutkrebs oder anderen Krebsarten mit dieser demethylierenden Substanz spielen.