The activity of six different genes can help determine patient survival of acute myeloid leukaemia (AML), according to a study published today in Science Advances.

The findings by researchers at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona lay the foundations for new ways of predicting how patients will fare with a type of blood cancer that has widely variable outcomes from one patient to the next.

The team created the scoring system by moving repeatedly between laboratory experiments with mice and patient records, crossing the two to look for genes that behaved consistently in both.

They found six genes that reliably predict patient survival. Some genes (CARMIL1, HOPX and ALDH1A1) were more active in patients with poor outcomes while others (CALR, STAR and PHF19) were less active.

The collective activity of all six genes, which the researchers call PHFScore, divided patients into groups with sharply different survival prospects. “PHF19 on its own already tells us something about how patients will fare, but combining it with five other genes is a dramatic improvement which gives us more accurate information for AML prognosis,” says ICREA Research Professor Luciano Di Croce, senior author of the study and researcher at the CRG.

The researchers say the score could contribute to the development of future prognostic tests. Patients suspected of having AML already give a bone marrow sample for laboratory analysis and measuring six genes is simpler and cheaper than reading a broader genetic profile.

Some of these genes have never been linked to blood cancer before and could also be potential new therapeutic targets. “These genes haven't been described in leukaemia or even in how blood forms. We don't yet know what they are doing there, which is exactly what makes them worth exploring,” says Dr. Gianni Gamarra, first author of the study.

The findings come from an initial focus on PHF19 alone. It belongs to a family of genes that keep other genes switched off, a system cells use as they progress along the differentiation process from immature to mature cells. It is generally thought to suppress blood cancer formation.

Earlier work in Luciano Di Croce's lab, which has studied PHF19 for more than a decade, showed that mice lacking the gene manifest a condition resembling myelodysplastic syndrome, where blood cells fail to mature properly and build up in the body without yet becoming cancerous.

“Leukaemia develops in stages, as a cell gradually accumulates defects,” explains Gamarra. “Losing PHF19 doesn't cause leukaemia on its own, but it is already a push down that road.”

The new study asked what happens when leukaemia originates in cells that have similar starting conditions — not cancerous, but not quite healthy either. The researchers introduced a leukaemia-causing gene into mouse blood cells with and without PHF19. Cells lacking the gene formed more colonies in the lab and, when transplanted into mice, took hold more easily. They also stayed locked in an immature, stem-cell-like state.

“Blood cells form a hierarchy,” says Gamarra. “At the top are stem cells, which are still plastic and could become almost anything. As they move down, they mature and take on a fixed identity. The more a cancer holds on to that plasticity, the more malignant it tends to be.”

The plasticity made the cells harder to treat. Cells without PHF19 largely ignored the effects of chemotherapeutic drugs which are commonly used to push leukaemia cells into a mature state, one of the strategies doctors use against a disease in which cells become stuck partway through development and multiply unchecked.

To check whether their mouse model reflected human disease, the researchers compared which genes were switched on and off in both the mouse cells and from data generated in human studies. The same pattern appeared in patient datasets.

Among younger adults treated for AML, those with the lowest levels of PHF19 survived for less time than those with the highest. They were also less likely to go into remission after standard chemotherapy. Fewer than half did so, compared with up to 85% of patients with the highest levels.

“The patients have advanced leukaemia, so we are comparing mice and humans at very different stages of the disease, yet the molecular data point in the same direction, which gives our model a great deal of strength,” says Gamarra Figueroa.

The study took five years to complete. It was led by Luciano Di Croce and Gianni Gamarra at the CRG, with single-cell expertise from Lars Velten's group and technological support from the CRG's Genomics Unit and Flow Cytometry Unit.
 

EN CASTELLANO

Una prueba de seis genes que podría ayudar a predecir la supervivencia en la leucemia

La actividad de seis genes distintos puede ayudar a determinar la supervivencia de pacientes con leucemia mieloide aguda (LMA), según un estudio publicado hoy en Science Advances.

Los hallazgos, realizados por un equipo del Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona, sientan las bases de nuevas formas de predecir cómo evolucionará cada paciente con un tipo de cáncer de la sangre cuyo desenlace varía enormemente de un caso a otro.

El equipo creó un sistema de puntuación alternando repetidamente entre experimentos de laboratorio con ratones e historiales clínicos de pacientes, y cruzó ambas fuentes en busca de genes que se comportaran de forma coherente en las dos.

Se identificaron seis genes que predicen de forma fiable la supervivencia. Algunos de ellos (CARMIL1, HOPX y ALDH1A1) mostraban una mayor actividad en pacientes con una evolución desfavorable, mientras que otros (CALR, STAR y PHF19) eran menos activos.

La actividad conjunta de los seis genes, que el equipo investigador ha denominado PHFScore, permitió clasificar a pacientes en grupos con perspectivas de supervivencia muy distintas. "El gen PHF19 por sí solo ya nos dice algo sobre cómo evolucionará cada paciente, pero combinarlo con otros cinco genes supone una mejora drástica que nos proporciona información más precisa para el pronóstico de la LMA", afirma el profesor de investigación ICREA Luciano Di Croce, autor sénior del estudio e investigador del CRG.

Según el equipo investigador, la puntuación podría contribuir al desarrollo de futuras pruebas pronósticas. A las personas que se sospecha que padecen LMA ya se les extrae una muestra de médula ósea para analizarla en el laboratorio, por lo que analizar seis genes sería más sencillo y económico que llevar a cabo el análisis de un perfil genético más amplio.

Algunos de estos genes nunca se habían relacionado con el cáncer de la sangre y podrían convertirse también en nuevas dianas terapéuticas. "Estos genes no se han descrito en la leucemia, ni siquiera en el proceso de formación de la sangre. Todavía no sabemos qué hacen ahí, y eso es precisamente lo que hace que merezca la pena estudiarlos", señala el Dr. Gianni Gamarra, primer autor del estudio.

Los hallazgos parten de un enfoque inicial centrado únicamente en PHF19. Este gen pertenece a una familia de genes que mantienen apagados otros genes, un sistema que las células utilizan a medida que avanzan en el proceso de diferenciación, de células inmaduras a células maduras. En general, se considera que inhibe la formación de cánceres de la sangre.

En trabajos anteriores del laboratorio de Luciano Di Croce, que lleva más de una década estudiando el gen PHF19, se demostró que los ratones que carecen de este gen presentan una afección similar al síndrome mielodisplásico, en la cual las células sanguíneas no maduran correctamente y se acumulan en el organismo sin llegar a volverse cancerosas en ese momento.

"La leucemia se desarrolla por etapas, a medida que una célula va acumulando defectos", explica Gamarra. "Perder el gen PHF19 no causa leucemia, pero ya supone un empujón en esa dirección".

El nuevo estudio plantea qué ocurre cuando la leucemia se origina en células que parten de unas condiciones similares — no cancerosas, pero tampoco del todo sanas. El equipo introdujo un gen causante de la leucemia en células sanguíneas de ratón con y sin PHF19. Las células que carecían del gen formaron más colonias en el laboratorio y, al trasplantarse a ratones, se implantaron con mayor facilidad. Además, permanecieron atrapadas en un estado inmaduro, similar al de las células madre.

"Las células sanguíneas forman una jerarquía", afirma Gamarra. "En la cúspide se encuentran las células madre, que todavía son plásticas y podrían convertirse en casi cualquier cosa. A medida que descienden, maduran y adquieren una identidad fija. Cuanto más conserva un cáncer esa plasticidad, más maligno suele ser".

Esta plasticidad hacía que las células fueran más difíciles de tratar. Las células sin PHF19 apenas respondían a los fármacos quimioterapéuticos que suelen utilizarse para empujar a las células leucémicas hacia un estado maduro, una de las estrategias que emplean los equipos médicos contra una enfermedad en la que las células se quedan bloqueadas a mitad de su desarrollo y se multiplican sin control.

Para comprobar si su modelo de ratón reflejaba la enfermedad humana, el equipo comparó qué genes estaban encendidos y cuáles apagados en las células de ratón y en datos procedentes de estudios en humanos. El mismo patrón se observó en los datos de pacientes.

Entre las personas adultas más jóvenes tratadas de LMA, quienes presentaban los niveles más bajos de PHF19 sobrevivieron menos tiempo que quienes tenían niveles más altos. También tenían menos probabilidades de alcanzar la remisión tras la quimioterapia estándar. Menos de la mitad lo consiguió, en comparación con hasta el 85% en el grupo con los niveles más altos.

"Se trata de pacientes con leucemia avanzada, así que estamos comparando ratones y humanos en fases muy distintas de la enfermedad; aun así, los datos moleculares apuntan en la misma dirección, lo que da una gran solidez a nuestro modelo", señala Gamarra.

El estudio tardó cinco años en completarse. Ha sido dirigido por Luciano Di Croce y Gianni Gamarra en el CRG y ha contado con la experiencia en análisis de célula única del grupo de Lars Velten, así como con el apoyo tecnológico de la Unidad de Genómica y la Unidad de Citometría de Flujo del CRG.
 

EN CATALÀ

La prova de sis gens que podria ajudar a predir la supervivència en la leucèmia

L'activitat de sis gens diferents pot ajudar a determinar la supervivència dels pacients amb leucèmia mieloide aguda (LMA), segons un estudi publicat avui a Science Advances.

Les troballes, fetes per un equip del Centre de Regulació Genòmica (CRG) de Barcelona, estableixen les bases per a noves maneres de predir com evolucionarà cada pacient amb un tipus de càncer de sang el resultat del qual varia molt segons el cas.

L'equip va crear un sistema de puntuació alternant repetidament entre experiments de laboratori amb ratolins i historials mèdics de pacients, i va creuar ambdues fonts a la recerca de gens que es comportessin de manera consistent en ambdós.

S'han identificat sis gens que prediuen la supervivència de manera fiable. Alguns d'ells (CARMIL1, HOPX i ALDH1A1) van mostrar una activitat més gran en pacients amb un resultat desfavorable, mentre que d'altres (CALR, STAR i PHF19) van ser menys actius.

L'activitat conjunta dels sis gens, que l'equip de recerca ha anomenat PHFScore, va fer possible la classificació dels pacients en grups amb perspectives de supervivència molt diferents. "El gen PHF19 ja ens diu alguna cosa sobre com evolucionarà cada pacient, però combinar-lo amb cinc gens més és una millora dràstica que ens proporciona informació més precisa sobre el pronòstic de la LMA", diu el professor d'investigació ICREA Luciano Di Croce, autor sènior de l'estudi i investigador al CRG.

Segons l'equip d'investigació, aquesta puntuació podria contribuir al desenvolupament de futures proves pronòstiques. A les persones sospitoses de patir LMA ja se'ls extrau una mostra de medul·la òssia per a analitzar-la al laboratori, així que analitzar sis gens seria més senzill i barat que dur a terme l'anàlisi d'un perfil genètic més ampli.

Alguns d'aquests gens mai no s'han relacionat amb el càncer de sang i també podrien convertir-se en nous objectius terapèutics. "Aquests gens no s'han descrit en leucèmia, ni tan sols en el procés de formació sanguínia. Encara no sabem què fan allà, i això és precisament el que els fa dignes d'estudiar", diu el Dr. Gianni Gamarra, primer autor de l'estudi.

Les troballes es basen en un enfocament inicial centrat exclusivament en PHF19. Aquest gen pertany a una família de gens que mantenen apagats d'altres gens, un sistema que les cèl·lules utilitzen mentre avancen en el procés de diferenciació, de cèl·lules immadures a madures. Generalment es considera que inhibeix la formació de càncers de sang.

En treballs previs del laboratori de Luciano Di Croce, que estudia el gen PHF19 des de fa més d'una dècada, es va demostrar que els ratolins sense aquest gen presenten una afecció similar a la síndrome mielodisplàstica en què les cèl·lules sanguínies no maduren correctament i s'acumulen al cos sense esdevenir canceroses en aquests moments.

"La leucèmia es desenvolupa en etapes, a mesura que una cèl·lula acumula defectes", explica Gamarra. "Perdre el gen PHF19 no causa leucèmia, però ja és un impuls en aquesta direcció."

El nou estudi planteja què passa quan la leucèmia s'origina en cèl·lules que parteixen de condicions similars — no canceroses, però tampoc del tot saludables. L'equip va introduir un gen que causa leucèmia en cèl·lules sanguínies de ratolí amb i sense PHF19. Les cèl·lules que no tenien el gen formaren més colònies al laboratori i, quan es trasplantaven en ratolins, s'implantaven més fàcilment. A més, romanien atrapades en un estat immadur, semblant a una cèl·lula mare.

"Les cèl·lules sanguínies formen una jerarquia", diu Gamarra. "A la part superior hi ha les cèl·lules mare, que encara són plàstiques i podrien convertir-se en gairebé qualsevol cosa. A mesura que descendeixen, maduren i adquireixen una identitat fixa. Com més temps manté un càncer aquesta plasticitat, més maligne tendeix a ser."

Aquesta plasticitat feia que les cèl·lules fossin més difícils de tractar. Les cèl·lules sense PHF19 gairebé no responien als fàrmacs de quimioteràpia que normalment s'utilitzen per portar les cèl·lules leucèmiques a un estat madur, una de les estratègies utilitzades pels equips mèdics contra una malaltia en què les cèl·lules queden bloquejades a mitja evolució i es multipliquen sense control.

Per comprovar si el seu model de ratolí reflectia la malaltia humana, l'equip va comparar quins gens estaven activats i quins desactivats en cèl·lules de ratolí i en dades d'estudis humans. El mateix patró es va observar en les dades dels pacients.

Entre les persones adultes joves tractades per LMA, aquelles amb els nivells més baixos de PHF19 van sobreviure menys que aquelles amb nivells més alts. També tenien menys probabilitats d'aconseguir la remissió després de la quimioteràpia estàndard. Menys de la meitat ho van aconseguir, en comparació amb fins al 85% del grup amb els nivells més alts.

"Aquests són pacients amb leucèmia avançada, així que comparem ratolins i humans en etapes molt diferents de la malaltia; tot i així, les dades moleculars apunten en la mateixa direcció, cosa que dóna gran robustesa al nostre model", diu Gamarra Figueroa.

L'estudi va trigar cinc anys a completar-se. Ha estat dirigit per Luciano Di Croce i Gianni Gamarra al CRG i ha comptat amb l'experiència en l'anàlisi de cèl·lules úniques del grup de Lars Velten, així com amb el suport tecnològic de la Unitat de Genòmica i la Unitat de Citometria de Flux del CRG.