Aldehyde dehydrogenases as potential biomarkers in myeloid neoplasias

Abstract

A superfamília das desidrogenases dos aldeídos (ALDH) é constituída por 19 enzimas cuja principal função é a proteção do organismo contra aldeídos tóxicos. As ALDHs têm sido associadas ao desenvolvimento de múltiplas doenças. As síndromes mielodisplásicas (SMD) são caracterizadas por hematopoiese ineficaz associada a citopenias no sangue periférico e elevada predisposição para transformação leucémica. A leucemia mieloide aguda (LMA) é caracterizada por crescimento anómalo de células mieloides imaturas no sangue e na medula óssea. A fisiopatologia das SMDs e LMAs é um processo complexo de múltiplas etapas que envolve alterações genéticas e epigenéticas numa ampla variedade de genes associados à diferenciação, proliferação, auto-renovação e apoptose celulares. Uma vez que as ALDHs estão envolvidas em alguns destes processos biológicos, a desregulação destas enzimas pode influenciar o desenvolvimento de SMD e LMA. O objetivo deste estudo é avaliar a expressão génica das ALDHs em doentes com SMD e LMA de modo a verificar seu potencial como biomarcadores de diagnóstico e/ou prognóstico destas doenças. Neste contexto, analisou-se a expressão da ALDH1A1, ALDH1A2, ALDH1A3, ALDH1B1, ALDH1L1, ALDH1L2, ALDH2, ALDH3A1, ALDH3A2, ALDH3B1, ALDH3B2, ALDH4A1, ALDH5A1, ALDH7A1, ALDH16A1 e ALDH18A1 por PCR de transcriptase reversa. Os genes diferencialmente expressos (ALDH3A2, ALDH3B1, ALDH4A1 e ALDH18A1) foram quantificados, por PCR em tempo real, em 54 doentes, 34 com SMD e 20 com LMA, e em 34 controlos saudáveis. A análise estatística foi realizada com recurso aos testes de Kolmogorov-Smirnov, Mann-Whitney, Kruskal-Wallis e análise ROC. As diferenças foram consideradas significativas quando p<0.05. Os resultados mostraram que para as ALDH1A3, ALDH1L1, ALDH1L2, ALDH3A1, ALDH3B2 e ALDH5A1 não existem diferenças de expressão entre doentes com SMD, doentes com LMA e controlos. Os doentes com SMD e LMA apresentam níveis de expressão de ALDH3A2 (SMD: mediana 1.9251; distância interquartil 1.28; p=0.000618; LMA: mediana 1.5096; distância interquartil 0.99; p=0.008) e ALDH4A1 (SMD: mediana 0.1841; distância interquartil 0.47; p=0.01134; LMA: mediana 0.1635; distância interquartil 0.78; p=0.124) superiores aos observados nos controlos (ALDH3A2: mediana 0.4624; distância interquartil 1.53; ALDH4A1: mediana 0.0388; distância interquartil 0.12). Por outro lado, os doentes com SMD apresentam níveis de expressão mais elevados de ALDH3B1 (mediana 1.6445; distância interquartil 1.39) do que os doentes com LMA (mediana 0.4541; distância interquartil 0.47; p=0.000314) e controlos (mediana 0.3521; distância interquartil 0.51; p=5.9942E-07). Os diferentes subtipos de SMD apresentam expressão diferencial de ALDH3A2 e ALDH3B1. Além disso, os doentes com SMD e com LMA com alterações mielodisplásicas não expressam ALDH18A1. Seguidamente avaliou-se a expressão das ALDHs nos doentes de SMD estratificados de acordo com o WPSS (WHO classification-based Prognostic Scoring System) e verificou-se que os doentes de muito baixo risco apresentaram maior expressão de ALDH3B1 (mediana 17.6934; distância interquartil 16.32) comparativamente aos de risco intermédio (mediana 1.2352; distância interquartil 2.55; p=0.010) . Por fim, a expressão das isoformas de ALDH não parece influenciar a sobrevivência global de doentes com SMD e LMA ou a evolução de SMD para LMA. Em conclusão, este trabalho sugere que as isoformas de ALDH apresentam expressão diferencial em doentes com SMD e LMA relativamente a indivíduos saudáveis e entre si. A expressão de ALDH3B1 poderá ser um potencial biomarcador de diagnóstico de SMD. Além disso, uma vez que nenhum doente com SMD e LMA com alterações mielodisplásicas apresenta expressão da ALDH18A1, a expressão desta isoforma poderá ser um bom biomarcador de diagnóstico de mielodisplasia. Por fim, a expressão de ALDH3A2 demostrou ser um possível biomarcador de diagnóstico de LMA. No entanto, estudos adicionais com um maior número de amostras são necessários para provar o potencial dessas enzimas como biomarcadores de diagnóstico.

Aldehyde Dehydrogenase (ALDH) superfamily is a group of 19 enzymes critical to the protection against toxic aldehydes, and have been associated with multiple diseases. Myelodysplastic syndromes (MDS) are characterized by ineffective hematopoiesis associated with peripheral blood cytopenias, and a predisposition toward leukemic transformation. Acute myeloid leukemia (AML) are characterized by disordered growth of immature myeloid blood cells in the blood and bone marrow. The pathophysiology of both, MDS and AML, is a complex multistep process that involves genetic and epigenetic abnormalities in a wide variety of genes associated with differentiation, cellular proliferation, self-renewal, and apoptosis. Since ALDHs are involved in some of these biological processes, the deregulation of these enzymes may influence MDS and AML development. The aim of the study is to evaluate the gene expression of ALDHs in patients with MDS and AML in order to verify their potential as a biomarker for the diagnosis and/or prognosis of these diseases. To this end, we did a preliminary analysis of the expression levels of ALDH1A1, ALDH1A2, ALDH1A3, ALDH1B1, ALDH1L1, ALDH1L2, ALDH2, ALDH3A1, ALDH3A2, ALDH3B1, ALDH3B2, ALDH4A1, ALDH5A1, ALDH7A1, ALDH16A1, and ALDH18A1. Then, we analyzed gene expression of ALDH3A2, ALDH3B1, ALDH4A1, and ALDH18A1 in 54 patients, 34 MDS and 20 AML, and 34 healthy controls. ALDH expression levels were analyzed using Reverse Transcriptase-PCR and differentially expressed genes were quantified by qPCR. The statistical analysis was carried out by the Kolmogorov-Smirnov Test, Mann-Whitney test, Kruskal-Wallis test, and ROC analysis. A value of p < 0.05 was considered significant. The results indicate that ALDH1A3, ALDH1L1, ALDH1L2, ALDH3A1, ALDH3B2, and ALDH5A1 did not show differences in their expression between MDS, AML, and controls. ALDH3A2, ALDH3B1, ALDH4A1, and ALDH18A1 had differential expression among study groups and were quantified by real time PCR. MDS and AML patients showed higher expression of ALDH3A2 (MDS: median 1.9251; interquartile range 1.28; p=0.000618; AML: median 1.5096; interquartile range 0.99; p=0.008) and ALDH4A1 (MDS: median 0.1841; interquartile range 0.47; p=0.01134; AML: median 0.1635; interquartile range 0.78; p=0.124) in comparison with controls (ALDH3A2: median 0.4624; interquartile range 1.53; ALDH4A1: median 0.0388; interquartile range 0.12). On the other hand, the expression of ALDH3B1 was higher in MDS patients (median 1.6445; interquartile range 1.39) than in AML patients (median 0.4541; interquartile range 0.47; p=0.000314) and controls (median 0.3521; interquartile range 0.51; p=5.9942E-07). ALDH3A2 and ALDH3B1 also showed statistically significant differences between the different subtypes of MDS. Additionally, patients with MDS and AML with myelodysplasia related changes (AML-MRC) did not expressed ALDH18A1. When we compared MDS patients according to WHO classification-based prognostic scoring system (WPSS) risk groups it was found that patients with very low risk had higher expression of ALDH3B1 (median 17.6934; interquartile range 16.32) in comparison with patients with intermediate risk (median 1.2352; interquartile range 2.55; p=0.010). Furthermore, the expression of ALDH isoforms does not appear to influence MDS and AML patient’s overall survival or MDS evolution to AML. In summary, ALDH isoforms have differential expression patterns in MDS and AML patients when compared with controls and each other. The ALDH3B1 is a potential diagnostic biomarker of MDS. Since none MDS and AML-MRC patients expressed ALDH18A1, the expression of this isoform may be a good diagnostic biomarker. Finally, ALDH3A2 could be a diagnostic biomarker of AML. However, further studies with a higher number of participants are needed to prove the potential of these enzymes as diagnostic biomarkers.