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STAT5A and STAT5B in hematopoiesis and leukemogenesis
Sebastian Kollmann
Veronika Sexl
Christian Seiser
Thomas Decker
Dissertation - Veterinärmedizinische Universität Wien - 2021
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Die Transkriptionsfaktoren STAT5A und STAT5B spielen eine entscheidende Rolle in der Hämatopoese und sind in hämatopoetischen Erkrankungen oft dereguliert. STAT5A und STAT5B sind auf Proteinebene zu über 90 % homolog und ihre Funktion im hämatopoietischen System wird als redundant angesehen. Da Gain-of-Function Mutationen in STAT5B, aber nicht in STAT5A, in hämatopoetischen Erkrankungen häufig beschrieben wurden, studieren wir hier den zugrundeliegenden molekularen Mechanismus. Wir untersuchten die individuellen Funktionen von STAT5A und STAT5B und verwendeten dafür BCR/ABL als Leukämiemodell. STAT5B hatte einen drastischen Einfluss auf die Zelllinientransformation und das Überleben, wohingegen STAT5A nur geringe Auswirkungen verursachte. Stat5b-defiziente Zelllinien konnten nur selten etabliert werden, exprimierten mehr BCR/ABL und induzierten signifikant später Leukämie. Im Gegensatz dazu verursachten Stat5a-defiziente Zelllinien eine Leukämie vergleichbar zu Wildtyp-BCR/ABL-Zellen. RNA-Seq-Profiling konnte zeigen, dass primär STAT5B die IFNα/γ Signalwege unterdrückt und dadurch die BCR/ABL induzierte Transformation und Proliferation fördert. Unsere Ergebnisse konnten durch RNA-seq Daten von STAT5B-mutieren LeukämiepatientInnen validiert werden. Wir liefern hiermit einen Teil der Erklärung für STAT5B-Mutationen in hämatopoetischen Erkrankungen. Im zweiten Teil meiner Doktorarbeit fokussiere ich mich auf die Rollen von STAT5A und STAT5B in hämatopoetischen und leukämischen Stammzellen. STAT5 gilt als wichtiger Regulator der Stammzell-Selbsterneuerung und des Anwachsens nach Transplantationen, doch die genauen Funktionen von STAT5A und STAT5B wurden bisher nicht untersucht. Wir konnten zeigen, dass STAT5B, aber nicht STAT5A, ein Treiber für die Selbsterneuerung ist und eine Erklärung für diese Dominanz liefern – eine selektive Aktivierung von STAT5B durch Zytokine und Onkogene. Wir testeten STAT5B-spezifische Gene, welche wir in hämatopoetischen Stammzellen durch Einzelzell-RNA-Seq gefunden haben, auf ihre prognostische Relevanz bei Leukämien und konnten das Oberflächenprotein CD9 als Marker für aktiviertes STAT5B identifizieren. Die CD9-Levels fungieren als prognostischer Marker in Leukämien, die STAT5-aktivierende Mutationen aufweisen. Unsere Daten zeigen, dass CD9-blockierende Antikörper STAT5-getriebene leukämische Stammzellen spezifisch eliminieren können. Die Ergebnisse dieser Dissertation unterstreichen die Notwendigkeit, STAT5A und STAT5B als unterschiedliche Entitäten in der Hämatopoese und der Leukämie zu betrachten, um die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen besser zu verstehen und folglich therapeutische Ansätze zu verbessern.
Dissertation - University of Veterinary Medicine Vienna - 2021
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The transcription factors STAT5A and STAT5B exert critical roles in hematopoiesis and are deregulated in hematopoietic malignancies. STAT5A and STAT5B share more than 90 % homology at the protein level and were believed to have redundant functions within the hematopoietic system. As gain-of-function mutations in STAT5B, but not in STAT5A, have been uncovered in hematopoietic malignancies, we here studied the underlying molecular mechanism. We investigated the individual roles of STAT5A and STAT5B using BCR/ABL as a leukemia model which signals via STAT5. STAT5B had a drastic impact on cell line transformation and survival, whereas STAT5A exerted minor effects. Stat5b-deficient cell lines rarely evolved, required high levels of BCR/ABL and induced leukemia with a significantly delayed latency. In contrast, Stat5a-deficient cell lines caused a disease comparable to wild type BCR/ABL cells. RNA-seq profiling revealed that STAT5B prominently suppressed IFNα/γ signaling to allow BCR/ABL induced transformation and proliferation. Our results were verified by RNA-seq data of STAT5B-mutated leukemia patient samples. This partly explains the higher frequency of STAT5B mutations in hematopoietic malignancies. In the second part of my thesis, I focused on the roles of STAT5A and STAT5B in hematopoietic and leukemic stem cells. STAT5 is a critical regulator of stem cell self-renewal and engraftment, but the precise functions of STAT5A and STAT5B remained unknown. We found STAT5B, but not STAT5A, to act as a driver for self-renewal and provide an explanation for its dominance – selective STAT5B activation downstream of cytokines and oncogenes. We tested STAT5B target genes revealed from hematopoietic stem cells by single cell RNA-seq for their prognostic relevance in leukemia and identified the surface protein CD9 as a marker for activated STAT5B. Of note, high levels of CD9 represent a negative prognostic marker for leukemia patients harboring STAT5-activating mutations. Our data indicate that CD9-blocking antibodies are a useful treatment to target and eradicate STAT5-driven leukemic stem cells. This thesis emphasizes the need to consider STAT5A and STAT5B as distinct entities in hematopoiesis and leukemogenesis to understand their individual functions to improve therapeutic approaches.
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2021
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