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Ruolo del microRNA-223 nella mielopoiesi normale e leucemica Clara Nervi Simposio SIES 41° Congresso Nazionale della Società Italiana di Ematologia Bologna 16 ottobre 2007 FONDAZIONE PARCO BIOMEDICO SAN RAFFAELE
26

Ruolo del microRNA-223 nella mielopoiesi normale e leucemica … · 2008-05-05 · Ruolo del microRNA-223 nella mielopoiesi normale e leucemica Clara Nervi Simposio SIES 41° Congresso

Jan 31, 2020

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Ruolo del microRNA-223nella mielopoiesi normale e leucemica

Clara Nervi

Simposio SIES

41° CongressoNazionale della Società Italiana di Ematologia

Bologna 16 ottobre 2007

FONDAZIONE

PARCO BIOMEDICO

SAN RAFFAELE

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PluripotentStem cells

MultipotentProgenitor

CommittedPrecursors

Maturecells

LT-HSC

Lymphoid

Myeloid

B cell

T cell

Erythrocytes

Platelets

Monocyte

GranulocyteRARa

GATA-1GATA-2 MEP

GMP

Lineages-specific transcription factors play key roles in hematopoiesis and lineage differentiation

AML-1Scl/Tal-1

LM02, Mll, TelHoxB4

PU-1

C/E

BPa

C/EBPa

FOG-1/GATA-1

IkarosPU.1

ST-HSC MPP

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Epigenetic modifications of DNA (methylation) and chromatin (acetylation and methylation of histones) affect the transcription of genes and regulate proper cell function, proliferation/differentiation and tissuespecificity

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5’ 3’

CpG

Inactive chromatin state

MeK9H3

MeK4H3

HP1 HP1 HP1 HP1

HMT

HDAC

MBPDNMTs

Transcriptional SilencingX

TF

From: Zardo et al, Cell Res 2005

3’

HATTF

AcK9H3

MeK4H3 TF

Active chromatin state

Transcriptional

activation

5’

CpG

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microRNAs (21-28 nt):

¬3000 microRNA genes identified in C.elegans,Drosophila, mouse and humans (>500) Act as negative regulators of the expression of genesinvolved in:

developmentdifferentiationproliferationapoptosisstress response

Role in oncogenesis

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Nucleus

Cytosol

miRNA gene

Pri-miRNA

microRNAs production and function

Dro

sha

DGCR8

Pre-miRNA

Incorporation intothe RISC Complex

ss-miRNA

TRBPDicer

AGO

miRNAduplex

targetmRNA

perfect pairing

mRNAcleavage

3’

Translational repression

Incomplete pairing

3’

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The expression of miRNAs is tissue-specific and highly regulated according to the

cell’s developmental lineage and stage

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CD34+: stem/progenitor cells: 4% of BM cells

CD34-: in the BM 60-75% are myeloid cells at different stages of neutrophylic differentation

PB mononucleated cells: 50-70% are mature granulocytes

It is miR-223 expression associated with human granulocytopoiesis?

miR-142-5

CD

34+

CD

34-

PB

MN

CB

cel

lsT

cel

ls

miR-223

miR-181a

U6

BMTissue expression ofmiRNAs cloned from mousebone marrow (Chen at alScience 2004)in human hematopoietic cells

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Acute Promyelocytic Leukemia

+ RA

Outcome results in APL prior and after all-trans-retinoic acid (ATRA)

Years

1 2 3 4 5 60

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miR-223

miR-142-5

miR-181a

U6

0 24 72RA 0 4 24 48 72

APL-1 APL-2

miR-223 is up-regulated by RA in primaryAPL blasts undergoing granulocytic differentiation

in vitro and in vivo

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A mini-circuitry comprising miR-223, CCAAT-boxbinding transcription factors NFI-A and C/EBPa

regulates granulocytopoiesis

+RA

Granulocytic differentiation

miR-223 gene

miR-223

NFI-A mRNA

C/EBPa

3’UTRAAAAA 3’

5’

NFI-A

AAAAA 3’

miR-223 gene

C/EBPa

NFI-A miR-223

NFI-A mRNA3’UTR5’

Fazi F. et al. Cell 123:819, 2005

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0

5

10

15

20

25

% o

f p

osi

tiv

e ce

lls

vector

Lenti-223

CD11b+ CD14+

0

0,5

1

1,5

2

2,5

vector

Lenti-223

G-CSFr GM-CSFr

mR

NA

s

Lenti-223Vector

Vec

tor

Len

ti-22

3miR-223

U6

U

Stable ectopic expression of miR-223 increases thegranulocytic differentiation of APL blasts

Lenti-223

5’LTR GFP 3’LTR

pre-miR-223 TU1PU1

PPGK

5’LTR GFP 3’LTR

pre-miR-223 TU1PU1

PPGK

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1. NFI-A and miR-223 has novel regulators of granulocyticdifferentiation

2. Key role for the transcriptional regulation of miR-223expression in human myelopoiesis.

3. A titrated miR-223 production reprograms myeloiddifferentiation in the APL NB4 cell line

Conclusions (1)

Role for a de-regulated miR-223 transcription andexpression in myeloid leukemias?

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Table 1: Morphological and genetic features of primary leukemia samples

Patient N° Morphology by FAB Karyoty pe

1

AML/M0

46,XY,der(12)t(12;?)(q23;?)/46,XY

2 AML/M0 Complex aberrations*

3 MDS-AML/M1 46,XY,del(7)(q31)

4 AML/M1 47,XX,+11

5 MDS-AML/M1 not available

6 MDS-AML/M1 46,XY,t(3;7;10)(q27;p?;p?),del(7)q31

7 AML/M2 not available

8 AML/M2 47,XX,add(12)(q23),+mar

9 AML/M2 46,XX

10 AML/M2 not available

11 AML/M2 46,XX,t(8;21)(q22;q22)/47, idem, +15

12 AML/M2 46,XY,t(8;21)(q22;q22)

13 AML/M2 46,XX,t(8;21)(q22;q22)

14 AML/M2 46,XY,t(8;21)(q22;q22)

15 AML/M3 46,XY,t(15;17)(q22;q21)

16 AML/M3 46,XY,t(15;17)(q22;q21)

17 AML/M3 46,XY,t(11;17)(q23;q21)

18 AML/M3 46,XY,t(15:17)(q22;q21)

19 AML/M4eo 46,XY

20 AML/M4 46,XY,t(4;16)(q25;q22)

21 AML/M4 not available

22 AML/M4 not available

23 AML/M4 -M5 not available

24 AML/M5 not available

25 AML/M5a 45,XY,del(7), -16

26 AML/M6 46,XY

27 AML/M6 not available

28 CML Blast crisis 45,XX,-7,t(9;22)(q34;q11)

29 Leukemic Mantle Cell Lymphoma 46,XY

30 ALL 46,XY,del(12)(p13;pter)/46,XY

31 ALL 46,XX

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miR-223 expression levels in human primaryhematopoietic cells and in acute myeloid leukemias

(AML)

t(8;21)

M0 M1 M2 M3 M4 M5

L-M

CL

CM

L-B

C

132 3 4 5 7 8 9

10

11

12

14

15

16

17

19

20

21

22

24

25

26 28

291 6

AML

27

M6

AL

L

18

23

30

31

t(8;21)

M0 M1 M2 M3 M4 M5

L-M

CL

L-M

CL

CM

L-B

C

132 3 4 5 7 8 9

10

11

12

14

15

16

17

19

20

21

22

24

25

26 28

291 6

AML

27

M6M6

AL

LA

LL

18

23

30

31

0.0

0.5

1.0

1.5

PB

PB

CB

CD34+MNC

BM

BM

0.0

0.5

1.0

1.5

PB

PB

CB

CD34+MNC

BM

BM

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miR-223 expression is down-regulated inAML1/ETO-positive cell lines

AML1

miR

-22

3A/E

U937

_-tubulin

A/E

-HA

Mo

ck

HL

60

NB

4K

56

2

Mo

ck

siA

/E

WT

SKNO-1 SKNO-1

AM

L1

t(8;21)

AML1/ETO+

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-426 gttgtggtta -415AML-1

AML1 binding site is present on the pre-miR-223 promoter

+1 +203-1500

C/EBP-730 gctaaatcaattgccaattag -709

C/EBP

NFI-A

pre-miR-223

+137

TGTGGTAML1 target genes

HDAC/DNMTs

corepressor

complex

XAML1 ETO

HDAC

Gelmetti V. et al. MCB 1998Fazi F. et al Blood 2007

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-426 +1

AML -1

-203 +203-1500 -426 +1

AML -1

-203 +203-1500pre-miR-223

oligo1

+137

miR-223 is a direct transcriptional target of AML1/ETO oligo12

-2000

Inpu

t

GAPDH

oligo1

oligo2

GAPDH

oligo1

oligo2

GAPDH

oligo1

oligo2

Inpu

t

GAPDH

oligo1

oligo2

GAPDH

oligo1

oligo2

GAPDH

oligo1

oligo2

No-A

b

-HA

-AM

L1

Input

-ET

O

Mock

A/E

-HA

SK

NO

-1

U937

No-A

b

-HA

-AM

L1

Input

-ET

O

Mock

A/E

-HA

SK

NO

-1

U937

Mock

A/E

HA

SK

NO

1

U937

Mock

A/E

HA

SK

NO

1

U937

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AML1/ETO recruits chromatin remodeling enzymes at this AML1-site on pre-miR-223 promoter

Inpu

t

No-A

b

-HD

AC

1

-MeC

P2

-DM

T3b

Inpu

t

-DM

T3a

-DM

T1

GAPDH

oligo1

oligo2

GAPDH

oligo1

oligo2

GAPDH

oligo1

oligo2

Inpu

t

No-A

b

-HD

AC

1

-MeC

P2

-DM

T3b

Inpu

t

-DM

T3a

-DM

T1

GAPDH

oligo1

oligo2

GAPDH

oligo1

oligo2

GAPDH

oligo1

oligo2Moc

kA

/EH

AS

KN

O1

U93

7

Moc

kA

/EH

AS

KN

O1

U93

7

Moc

A/E

HA

SK

NO

1

U937

Moc

A/E

HA

SK

NO

1

U937

+1 +203-1500pre-miR-223AML-1 X

AML1 ETO

HDAC

TGGTGT +137

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Heterochromatic silencing of pre-miR223 promoter by AML1/ETO

Con

trol

5-a

zacy

tidin

e23%48%46%

% of global methylation

4% 8% 60% 40%66%63%

Methylated CpG

Unmethylated CpG

- GAPDH -

- oligo1 -

No

-Ab

-H3A

c

-H4A

c

Inp

ut

No

-Ab

-H3A

c

-H4A

c

Inp

ut

No

-Ab

-H3A

c

-H4A

c

Inp

ut

No

-Ab

-H3A

c

-H4A

c

Inp

ut

No

-Ab

-H3A

c

-H4A

c

Inp

ut

No

-Ab

-H3A

c

-H4A

c

Inp

ut

No

-Ab

-H3A

c

-H4A

c

Inp

ut

No

-Ab

-H3A

c

-H4A

c

Inp

ut

No

-Ab

-H3A

c

-H4A

c

Inp

ut

No

-Ab

-H3A

c

-H4A

c

Inp

ut

No

-Ab

-H3A

c

-H4A

c

Inp

ut

No

-Ab

-H3A

c

-H4A

c

Inp

ut

No

-Ab

-H3A

c

-H4A

c

Inp

ut

No

-Ab

-H3A

c

-H4A

c

Inp

ut

No

-Ab

-H3A

c

-H4A

c

Inp

ut

WT siA/EMock

SKNO-1

HL60 Mock A/E-HA

U937 SKNO-1 (AML1/ETO+)

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+1

-448 +137-203

AML1

TGTGGT+1

-448 +137-203

AML1

TGTGGT

transcription

Chromatin status on pre-miR-223 gene promoter

Myeloid Progenitor

MeCP2DNMTs X

HDAC

+1

-448

ETO

AML1TGTGGT

+137

-203

Silen

cingMeCP2DNMTs X

HDAC

+1

-448

ETO

AML1TGTGGT

+137

-203

Silen

cingAML1/ETO+

Myeloid Progenitors

Fazi F. et al Cancer Cell in press

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5-azacytidine and siRNA-A/E relieves miR-223 silencing and restores myeloid differentiation of

SKNO-1 AML1/ETO+ cells m

iR-223

-NFI-A

-tubulin

WT Mock siA/E

AZA +-+- +-

SKNO-1

miR

-223

-NFI-A

-tubulin

WT Mock siA/E

AZA +-+- +-

SKNO-1

% p

osi

tive c

ell

s

CD11b CD14

WT siA/EMock WT siA/EsiA/EMock

AZA +-+- +-

SKNO-1

+-+- +-%

posi

tive c

ell

s

CD11b CD14

WT siA/EMock WT siA/EsiA/EMock

AZA +-+- +-

SKNO-1

+-+- +-

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Ectopic expression of miR-223 reprograms myeloiddifferentiation in AML cell lines carrying or not the AML1/ETO

Lenti-223

5’LTR GFP 3’LTR

pre-miR-223 TU1PU1

PPGK

5’LTR GFP 3’LTR

pre-miR-223 TU1PU1

PPGK

Len

ti-2

23

Vecto

r

SKNO-1HL60

Len

ti-2

23

Vecto

r

SKNO-1HL60HL60

0

1

miR

-223

Vector

Lenti-223

SKNO-1

NFI-A--tubulin-

HL60

0

1

miR

-223

Vector

Lenti-223

Vector

Lenti-223

SKNO-1

NFI-A--tubulin-

HL60

4

6

8

10

% o

f p

osi

tiv

e c

ell

s SKNO-1

CD11b CD14 CD11b CD14

HL60

4

6

8

10

% o

f p

osi

tiv

e c

ell

s SKNO-1

CD11b CD14 CD11b CD14

HL60

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1

2

M3

M4-M

5

miR-223

fold

inductio

n

1

2

CD11b

Vector

Lenti-223

Vector

Lenti-223

M3

M4-M

5

1

2

M3

M4-M

5

M3

M4-M

5

miR-223miR-223

fold

inductio

n

1

2

CD11bCD11b

Vector

Lenti-223

Vector

Lenti-223

M3

M4-M

5

M3

M4-M

5

Ectopic expression of miR-223 reprograms myeloid differentiation in primary blasts from AML patients

AML/M3 AML/M4-M5

Lenti

-223

Vecto

r

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1. microRNA expression can be de-regulated epigenetically

2. a novel oncogenic action for a leukemia fusion protein: theepigenetic silencing of a tissue and developmental stagespecific microRNA

3. de-regulated microRNA production can be linked todifferentiation block underlying myeloid leukemiapathogenesis, independently from the presence of aspecific genetic lesion.

4. miRNAs as additional epigenetic molecular targets fortherapeutic intervention in leukemias.

Conclusions (2)

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Collaborators

Francesco FaziGiuseppe ZardoLinda StarnesLorena TravagliniVanessa Gelmetti

Dept of Histology and Medical EmbryologyUniversity of Rome “La Sapienza”&San Raffaele Biomedical Park Foundation

Irene BozzoniAlessandro FaticaAlessandro Rosa

Dept of Genetics and Molecular BiologyUniversity of Rome “La Sapienza”

Department of Biopathology, University of Rome “Tor Vergata”

Giuseppe CiminoMarco ManciniDaniela Diverio

Franco GrignaniSerena Racanicchi

University of Perugia

Department of Cellular Biotechnologies and Hematology, University “La Sapienza”

Francesco Lo CocoEmanuele Ammatuna