Functional effects of somatic mutations in T lymphocytes and human health

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-8040-7
Title: Functional effects of somatic mutations in T lymphocytes and human health
Author: Kim, Daehong
Other contributor: Helsingin yliopisto, lääketieteellinen tiedekunta
Helsingfors universitet, medicinska fakulteten
University of Helsinki, Faculty of Medicine, Hematology Research Unit
Kliininen tohtoriohjelma
Doktorandprogrammet i klinisk forskning
Doctoral Program in Clinical Research
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2022-05-25
Language: en
Belongs to series: dissertationes scholae doctoralis ad sanitatem investigandam universitatis helsinkiensis - URN:ISSN:2342-317X
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-8040-7
http://hdl.handle.net/10138/343381
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Somatic mutations can occur during DNA replication or due to DNA damage frequently caused by reactive oxygen species, UV, or other environmental factors. So far, very few studies have focused on somatic mutations in the context of non-malignant disorder, such as autoimmune diseases. Recently, somatic mutations in T cells have been reported in autoimmune diseases such as aplastic anemia, Felty’s syndrome, rheumatoid arthritis, and hypoplastic myelodysplastic syndrome. However, the functional effects of these mutations are yet to be elucidated to understand their contribution to disease pathogenesis. In this project, we aimed to study the functional effects of somatic mutations in T cells in immune-related diseases that have a feature of T cell activation, involving chronic graft versus host disease (cGvHD) and T cell large granular lymphocyte (LGL) leukemia. We focused on the molecular signaling events and cell phenotypes derived from somatic mutations, underlying the pathogenesis of the diseases. In addition, we integrated the somatic mutation-derived activated signaling pathways with ex vivo drug testing to investigate potential and promising drugs for the targeted therapies. In study I, we used cGvHD following allogeneic stem-cell transplantation as the disease model. We initially discovered an index patient with cGvHD who had an expanded large Vβ20 clone in the CD4+ T cell fraction and aimed to examine whether this clone carried somatic mutations, which would be responsible for clonal expansion. By using next-generation sequencing targeting 986 immune-related genes and exome sequencing, we discovered novel somatic mTOR mutation within the expanded vβ20 clone of CD4+ T cells. Furthermore, we applied the targeted amplicon sequencing to 134 patients with cGvHD, 38 allo-HSCT patients without cGvHD, and 54 healthy controls, which revealed mTOR mutation in CD4+ T cells of two additional cGvHD patients. We also demonstrated activating mTOR signaling of the gain-of- function (GOF) mTOR mutation, resulting in enhanced cell proliferation and resistance to apoptosis. In addition, we investigated the cytotoxicity of CD4+ T cells harboring mTOR mutation using single-cell RNA sequencing and cell cytotoxicity analysis. Finally, we performed ex vivo drug testing and found HSP90 and mTOR inhibitors as potential therapeutic approaches in cGvHD. Activating somatic STAT3 mutations are a hallmark of T-LGL leukemia. However, no clear evidence of the effect of STAT3 mutations in the disease pathogenesis has been reported so far. In study II, we demonstrated that activating STAT3 mutations are associated with increased cytokine signaling, DNA hypermethylation, and increased oxidative stress. We identified important signaling pathways, including MYC and NFkB, which were associated with STAT3 mutations leading to cell proliferation. We also validated these findings using KAI3-NK cell- line harboring STAT3 hotspot mutations (Y640F and G618R). An ex vivo drug test revealed that azacitidine, a DNA hypomethylating agent, inhibited STAT3 activation. Finally, we demonstrated that azacitidine decreased STAT3 activation through SHP-1 restoration. In the pathogenesis of T-LGL leukemia, chronic antigen stimulation, such as HTLV-2 viral infection, has been suspected to be the cause for the initial emergence of the cytotoxic T cell clone. In study III, hence, we aimed to investigate the prevalence of STAT3 mutations in CD4+ and CD8+ T cells from HTLV-2 positive healthy blood donors. Using STAT3-targeted deep amplicon sequencing, we identified that HTLV-2-infected healthy blood donors harbor STAT3 mutations in CD8+ T cells (13%, 4 out of 30). However, no STAT3 mutations were detected from HTLV-2 negative blood donors (0%, 0 out of 35). To examine if HTLV-2 infection can cause other somatic mutations in T cells, we employed next-generation sequencing targeting 2,533 immune-related genes. We identified additional mutations in genes either reported in LGL leukemia or associated with JAK/STAT pathways in CD8+ T cells of HTLV-2-infected blood donors. We additionally characterized CD8+ T cell clonality by assessing T cell receptor repertoire from HTLV-2-infected blood donors with and without STAT3 mutations. In conclusion, our study provides genetic and functional insights into somatic mutations in T cells and their contribution to human health. We identified somatic GOF mutations in mTOR associated with abnormal growth of T cell clones and aberrant immune activation, potentially contributing to cGvHD pathogenesis. In addition, we examined the molecular effects of somatic GOF STAT3 mutations, including DNA hypermethylation, DNA damage with ROS production, cytokine upregulation, and T cell proliferation in T-LGL leukemia. Our studies suggest that HTLV-2 acts as a viral antigen causing lymphoproliferation, potentially serving as a precursor state for T-LGL leukemia. Taken together, increased understanding of the prevalence and consequences of mutated T cells can guide future therapeutic discoveries in various human disorders.Somatisk mutation är en genetisk förändring som erhållits av somatiska celler. Mutationer kan uppstå på grund av fel som utvecklats under DNA-replikering och reparation, eller på grund av DNA-skador som orsakats under celldelning på grund av miljö-påfrestningar, som strålning, rök och UV. Endast ett fåtal studier har hittills fokuserat på somatiska mutationer i samband med icke-maligna sjukdomar, såsom T-cellslymfoproliferativa sjukdomar. Framför allt, är de funktionella effekterna av mutationer i T-celler och deras bidrag till sjukdomspatogenes fortfarande dåligt förstådda. I detta projekt var målet att studera de funktionella effekterna av somatiska mutationer i T-celler i immunrelaterade sjukdomar som har en funktion av T-cellsaktivering, som involverar kronisk “graft-versus-host-disease” (eng. cGvHD) och T-cells-storgranulära lymfocyt-leukemi (eng. LGL). Vi fokuserade på de molekylära signalhändelserna och cellfenotyper som härstammar från somatiska mutationer, som ligger till grund för sjukdomarnas patogenes. Förutom detta, integrerade vi de somatiska mutations-härledda, aktiverade signalvägarna, med “ex-vivo” drogtester för att undersöka potentiella och lovande läkemedel för riktade terapier. cGvHD är en potentiellt dödlig komplikation efter allogen hematopoetisk stamcellstransplantation (eng. HSCT). I studie I avslöjade flow-scytometribaserad analys och TCRβ djupsekvensering klonalt expanderade CD4+ T-celler från en patient med cGvHD. ”Next generation sequencing” (eng. NGS), identifierade en ny somatisk mTOR-mutation i den expanderade klonen. Dessutom observerade vi mTOR-mutationen från 2 ytterligare cGvHD-patienter (n=134), men inte hos friska kontroller. Funktionella analyser visade att mTOR-mutation aktiverar mTOR-signalvägar, vilket leder till ökad cellproliferation och resistens mot apoptos. Encellig RNA-sekvensering och cellcytotoxicitetsanalys i realtid, avslöjade en ökad cytotoxicitet hos muterade CD4+ T-celler. Vi utförde ”ex-vivo” drogtester och proponerade HSP90 och mTOR-hämmare som potentiella terapeutiska angreppssätt i cGvHD. T-LGLL har en egenskap för klonala expansioner av patogena T-cellkloner. Aktivering av somatiska STAT3-mutationer är ett kännetecken för T-LGL-leukemi. Dock har inga tydliga bevis gällande effekten av STAT3-mutationer i sjukdomspatogenesen rapporterats hittills. I studie II demonstrerade vi, att STAT3-mutationer är associerade med ökad cytokinsignalering, DNA-hypermetylering samt med ökad oxidativ stress. Läkemedelstester visade att azacitidin, ett DNA-hypometylerande medel, hämmade konsekvenserna av STAT3-aktivering via SHP-1-återställning. I studie III, undersökte vi den okända etiologin för T-LGLL. I patogenesen av T-LGL L, har humant T-cellslymfocytvirus typ 2 (eng. HTLV-2) misstänkts vara ett målantigen för den initiala uppkomsten av den cytotoxiska T-cellklonen. Genom NGS-sekvensering upptäcktes STAT3-mutationer i CD8+ T-celler från HTLV-2-positiva blodgivare (13 %, 4 utav 30), men inte i HTLV-2-negativa givare (0 %, 0 utav 35). Förutom detta, hittades klonal expansion och höga cytotoxiska cytokiner i STAT3-muterade celler. Därutöver tillhandahöll vi somatisk mutationsprofilering, som länkade T-cellslymfoproliferation. Sammanfattningsvis, gav vår studie funktionella insikter om somatiska mutationer i T-celler i samband med lymfoproliferativa tillstånd. Vi identifierade somatiska GOF-mutationer i mTOR med anormal tillväxt av T-cellkloner och avvikande immun-aktivering, vilket potentiellt bidrog till cGvHD-patogenes. Förutom detta, undersökte vi även de molekylära effekterna av somatiska GOF STAT3-mutationer, inklusive DNA-hypermetylering, DNA-skada med ROS-produktion, cytokinuppreglering och T-cellsproliferation i T-LGL-leukemi. Våra studier tyder på att HTLV-2 fungerar som en viral antigen som orsakar lymfoproliferation, vilket potentiellt fungerar som ett prekursortillstånd för T-LGL-leukemi. Sammanfattat, kan ökad förståelse för prevalensen och konsekvenserna av muterade T-celler vägleda framtida terapeutiska upptäckter i olika mänskliga sjukdomar.
Subject: translational Immunology
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
kim_daehong_dissertation_2022.pdf 9.086Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record