SUMO inhibition reveals temporally distinct intron retention programs shaping the immunopeptidome in acute myeloid leukemia

Het menselijke immuunsysteem fungeert als een constant surveillancenetwerk dat het lichaam patrouilleert om onderscheid te maken tussen gezonde cellen en gevaarlijke indringers. Om dit te doen, vertrouwt het op minuscule moleculaire vlaggetjes die op het oppervlak van elke cel worden getoond. Deze vlaggetjes, bekend als menselijke leukocytenantigenen, zijn fragmenten van eiwitten die de cel onlangs heeft afgebroken. Als een cel gezond is, tonen de vlaggetjes normale, verwachte stukjes. Als een cel geïnfecteerd is door een virus of kankerachtig is geworden, tonen de vlaggetjes vreemde, buitenlandse fragmenten die het immuunsysteem waarschuwen om een aanval te lanceren. Bij acute myeloïde leukemie, een vorm van bloedkanker, verbergen de cellen zich vaak voor deze surveillance omdat ze zeer weinig mutaties dragen die dergelijke herkenbare vreemde vlaggetjes zouden creëren. Dit gebrek aan zichtbare doelwitten maakt de ziekte moeilijk te behandelen met immunotherapieën, die afhankelijk zijn van het vermogen van het immuunsysteem om de kanker te spotten en te vernietigen.

Wetenschappers vermoeden al lang dat kankercellen mogelijk andere soorten verborgen vlaggetjes vertonen, niet alleen afkomstig van gemuteerde genen, maar ook van fouten in hoe ze hun eigen genetische instructies lezen. Cellen moeten hun DNA kopiëren naar RNA en vervolgens dat RNA vertalen naar eiwitten, een proces waarbij niet-coderende secties genaamd introns worden uitgesneden. Soms faalt dit bewerkingsproces, en wordt een intron achtergelaten in de uiteindelijke boodschap. Deze fout leidt meestal tot een defect eiwit dat snel wordt afgebroken, maar de fragmenten van deze defecte eiwitten kunnen nog steeds op het celoppervlak terechtkomen als vlaggetjes. De vraag bleef of deze accidentele, door introns afgeleide vlaggetjes zichtbaarder gemaakt konden worden voor het immuunsysteem, wat de kanker potentieel in een doelwit zou kunnen veranderen.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Montreal besloot dit idee te testen door een specifieke chemische schakelaar binnen leukemiecellen te manipuleren. Ze gebruikten een medicijn genaamd TAK-981, dat een proces blokkeert dat bekend staat als SUMOylering. Dit proces is als een moleculaire lijm die helpt bij het organiseren van de machinerie binnen de celkern, inclusief de instrumenten die verantwoordelijk zijn voor het bewerken van RNA. Door deze lijm te verwijderen, speculeerden de onderzoekers dat de bewerkingsmachinerie gedesorganiseerd zou raken, waardoor meer introns in de genetische boodschappen worden achtergelaten. Ze voorspelden dat deze piek in fouten een vloedgolf van nieuwe, abnormale eiwitfragmenten zou genereren, waardoor de kankercellen effectief gedwongen worden een nieuwe set vlaggetjes te tonen die het immuunsysteem kan herkennen.

Om te zien of dit werkte, behandelden de wetenschappers drie verschillende typen leukemiecellen met het medicijn en observeerden wat er gebeurde in de loop van de tijd. Ze ontdekten dat het medicijn inderdaad de interne organisatie van de cel verstoorde, wat een brede stressrespons veroorzaakte die onder meer de activatie van immuun-signaleringsroutes omvatte. Belangrijker nog, het medicijn zorgde ervoor dat de cellen duizenden introns behielden die ze normaal gesproken zouden hebben verwijderd. De onderzoekers observeerden dat deze introns niet allemaal tegelijk verschenen, maar zich in twee duidelijke golven ophoopten. Eén groep introns verscheen snel maar in kleinere aantallen, terwijl een veel grotere groep langzaam opbouwde gedurende twee dagen. Deze twee groepen hadden verschillende fysieke kenmerken, wat suggereerde dat het medicijn verschillende delen van de bewerkingsmachinerie op verschillende manieren beïnvloedde.

De meest significante ontdekking was wat er gebeurde met de vlaggetjes op het celoppervlak. De onderzoekers verzamelden de eiwitfragmenten die door de cellen werden getoond en analyseerden deze met hoogwaardige massaspectrometrie. Ze identificeerden bijna zeventien duizend unieke vlaggetjes. Onder deze vonden zij honderden nieuwe vlaggetjes die nooit eerder in deze cellen waren gezien. Een groot deel van deze nieuwe vlaggetjes kwam rechtstreeks van de introns die door het medicijn waren behouden. Sterker nog, bijna zestig procent van de nieuwe vlaggetjes die na de behandeling verschenen, was afgeleid van deze intronische fouten. Het team bevestigde dat dit niet louter willekeurige ruis was; ze vonden specifieke sequenties waar een enkel behouden intron meerdere verschillende vlaggetjes genereerde, afhankelijk van hoe de machinerie van de cel de fout verwerkte.

Om er zeker van te zijn dat deze bevindingen geen artefact waren van het laboratorium, bekeken de onderzoekers dezelfde genetische fouten in onbehandelde leukemie-monsters van patiënten. Ze ontdekten dat de specifieke introns die het medicijn deed accumuleren, al aanwezig waren in de kankercellen van de patiënten, zij het op lagere niveaus. Dit gaf aan dat het medicijn niet geheel nieuwe problemen creëerde, maar fouten versterkte die al deel uitmaakten van de ziekte. Wanneer zij deze fouten vergeleken met gezonde bloedcellen, stelden zij vast dat veel van deze intron-retentie-gebeurtenissen specifiek waren voor de leukemie, wat betekende dat ze onwaarschijnlijk in gezond weefsel te vinden zouden zijn. Dit is een cruciaal detail, aangezien het suggereert dat het gericht aanpakken van deze fouten de normale cellen van de patiënt geen schade zou berokkenen.

De studie onthulde ook dat deze door introns afgeleide vlaggetjes niet beperkt waren tot één specifiek type leukemie of een specifieke genetische mutatie. Ze kwamen voor in verschillende subtypes van de ziekte en in cellen met verschillende genetische achtergronden. Bovendien identificeerden de onderzoekers tientallen voorheen onbekende kleine eiwitten, die zij micro-eiwitten noemden, die geproduceerd werden uit deze behouden introns. Sommige van deze micro-eiwitten genereerden meerdere vlaggetjes, en de specifieke vlaggetjes die getoond werden, hingen af van de genetische opmaak van het immuunsysteem van de patiënt. Dit betekent dat een enkele fout in het genetische bewerkingsproces een verscheidenheid aan doelwitten kan bieden voor verschillende patiënten, wat de kans vergroot dat een immunotherapie op een individu kan worden afgestemd.

De onderzoekers concludeerden dat het blokkeren van het SUMOylering-proces een krachtige manier is om de oppervlakte van leukemiecellen te herstructureren, waardoor een verborgen laag antigenen wordt blootgelegd die het immuunsysteem potentieel kan aanvallen. Hoewel de studie niet heeft getest of deze aanpak patiënten kan genezen, stelde het een duidelijk biologisch mechanisme vast: het verstoren van een specifiek cellulair proces kan kankercellen dwingen hun ware aard te onthullen door een rijk scala aan abnormale vlaggetjes te tonen. De bevindingen suggereren dat het combineren van dit medicijn met andere behandelingen, zoals vaccins of immuuntherapieën die ontworpen zijn om deze specifieke door introns afgeleide vlaggetjes te herkennen, een nieuwe strategie kan bieden voor de behandeling van acute myeloïde leukemie. Het werk opent de deur naar het begrijpen hoe de fouten binnen een kankercel kunnen worden omgevormd tot hun grootste zwakte.