The role of glutathionperoxidase 4 (GPX4) in hematopoiesis and leukemia

Redox systems are a major tool for the organism to deal with oxidative stress and the balance of these systems is crucial for life. The glutathione (GSH) dependent system consists of glutathione, glutathione peroxidases and glutathione reductases and is critically involved in the maintenance of intracellular redox balance. In addition, the glutathione dependent system is a promising target for anti-cancer therapy. In particular, glutathione peroxidase 4, an enzyme that protects cell membranes from lipidperoxidation, plays a major role in proliferation, growth and development as Gpx4 disruption leads to growth arrest and embryonic death in a mouse model. GPX4 function plays a regulative role in several kinds of cancer and is highly expressed in leukemias, especially in patients carrying the AML1-ETO fusion gene. In this work, we delineated the role and expression of GPX4 in hematopoiesis and leukemia and investigated its role as potential target for anti-cancer therapy. In a state of non-disease glutathionperoxidase 4 is highly expressed in all hematopoietic lineages with the highest expression in the mouse erythroid lineage and is upregulated in the stem cell compartment in human bone marrow. This suggests that GPX4 is involved as one of the major antioxidative mechanisms in hematopoiesis. In the state of leukemia we could prove an upregulation of the gene in AML1-ETO patients compared to healthy individuals, which was shown by microarray data before. The present study thus could show that a knock-down of GPX4 in leukemic cell lines carrying the AML1-ETO fusion gene led to a strong anti-proliferative effect but no effect on the clonogenicity of the cells was observed. In addition, the knockdown of only this one antioxidative mechanism was sufficient to increase ROS levels in those cell lines. Apoptosis signaling was not involved in these processes. These data shed new light on the role of GPX4 in normal and malignant hematopoiesis and encourage further studies testing the therapeutic efficacy of GPX4 blockage in human AML.

Redox Systeme sind ein Hauptwerkzeug des Organismus um oxidativen Stress zu bewältigen und die Balance dieser Systeme ist lebenswichtig. Das Glutathion abhängige System besteht aus Glutathion, Glutathion Peroxidasen und Glutathion Reductasen und spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des intrazellulären Redox Gleichgewichts. Außerdem scheint eine Beeinflussung des Glutathion abhängigen Systems ein vielversprechender Ansatz in der Tumortherapie zu sein. Vor allem Glutathion Peroxidase 4, ein Enzym das Zellmembranen vor Lipidperoxidation schützt spielt eine wichtige Rolle bei Tumorproliferation, -wachstum und -entwicklung. Ein knockdown des Gens führt zu Wachstumsstop und embryonalem Tod im Maus Modell. Es ist bekannt dass GPX4 eine regulative Rolle bei verschiedenen Krebsarten inne hat und dass das Gen in Leukämien hoch exprimiert wird. Dies gilt vor allem für Patienten die Träger des AML1-ETO Fusionsgens sind. In dieser Arbeit, „The role of gutathionperoxidase 4 (GPX4) in hematopoiesis and leukemogensis“ zeigen wir die Bedeutung der Glutathionperoxidase 4 in hämatopoetischen Zellen und Leukämien und untersuchen die Rolle dieses speziellen Enzyms als Angriffspunkt für die Krebstherapie. In gesundem Knochenmark ist Glutathionperoxidase 4 in allen hämatopoetischen Linien hoch exprimiert. Die höchste Expression im murinen System findet sich dabei in der erythroiden Linie. Im humanen Knochenmark ist das Gen ist im Stammzell Kompartiment hochreguliert. Dies legt den Schluss nahe, dass GPX4 als ein bedeutender antioxidativer Mechanismus an der Hämatopoese beteiligt ist. In Leukämien konnten wir eine Hochregulierung des Gens in AML1-ETO Patienten verglichen mit mononuklearen Zellen gesunder Menschen bestätigen. Dies wurde zuvor im Mikroarray gezeigt. Die vorliegende Studie zeigt außerdem, dass ein knock-down von GPX4 in Leukämiezellinien die das AML1-ETO Fusionsgen tragen einen starken antiproliferativen Effekt hat. Die Klonogenität der Zellen wurde dabei nicht beeinflusst. Außerdem ist ein knockdown dieses einzelnen antioxidativen Enzyms ausreichend um den oxidativen Stress, das ROS Level in den Zellen zu erhöhen. Apoptose spielte hierbei keine Rolle. Diese Daten stellen die Rolle von GPX4 in der normalen und malignen Hämatopoese in einem neuen Licht dar und fordern weitere Studien die den therapeutischen Effekt einer Blockade von GPX4 in humanen AML erforschen.

Deutsche Übersetzung des Titels: Die Bedeutung der Glutathionperoxidase 4 (GPX4) in der Hämatopoese und bei Leukämie