Comprehensive DNA Repair Gene Expression Analysis and its Prognostic Significance in Acute Myeloid Leukemia

Abstract

Background Deficiency in DNA damage response pathway and accumulation of DNA damage increases mutation rates resulting in genomic instability and eventually increases the risk of cancer. This process is implicated in the pathophysiology of acute myeloid leukemia (AML) in previous reports. There is a lack of a comprehensive study of the expression profile of DNA repair genes and its prognostic impact on AML. Aim of this study In the present study, we investigated the expression pattern of 22 DNA repair genes in AML patients. Based on the expression of DNA repair genes, we analyzed its clinical characteristics and prognosis in AML patients. Methods This study enrolled a total of 81 patients newly diagnosed with AML: 9 acute promyelocytic leukemia (APL) with PML-RARA rearrangement, and 72 non-APL AML patients (27 favorable risk group, 31 intermediate risk group, and 14 adverse risk group). Among them, 7 patients were therapy-related. The expression analysis of DNA repair genes was performed by using a custom RT2 Profiler PCR Array (CLAH29924, Qiagen, Valencia, CA) which could simultaneously assess the expression of 22 genes. To categorize AML patients according to the mRNA expression levels, Z score method was used. Results Among the 22 genes tested, APL presented significantly lower expression of BRCA1, RAD51, POLD3, PARP1, RAD23A, MLH1, and MLH3 than non-APL AML (P = 0.0183, 0.0102, 0.0020, 0.0473, 0.0075, 0.0021, and 0.0341, respectively). Among non-APL AML, there was no difference of DNA repair gene expression between favorable, intermediate, and adverse risk group. Characteristically, AML with complex karyotype revealed significantly higher expression of RAD23A gene (P=0.0055), while AML with normal karyotype showed significantly lower expression of RAD23B gene (P=0.0023) compared to the other karyotypic group. Based on the mRNA expression levels of 22 DNA repair genes, we categorized patients to DNA damage response (DDR)-overexpressed (at least one of Z-scores greater than 1.5), and not-overexpressed group. There was a significant difference of distribution of DDR groups according to age group, indicating the increasing incidence of DDR-overexpressed patients in older patients (P=0.0147). However, there were no difference in risk subgroup, previous chemotherapy, complete remission rate, or relapse rate. Overall survival probability of DDR overexpressed group was poorer than that of DDR not-overexpressed group (P=0.0286). Through multivariate cox proportional hazard regression, we found that age, risk group, allogeneic stem cell transplantation, expression levels of PARP1 (Z score >0.4, HR, 2.53; 95% CI, 1.27-5.05; P=0.0082), BRCA1 (Z score >1.5, HR, 6.07; 95% CI, 1.51-24.31; P=0.0109), XRCC1 (Z score >1.5, HR, 4.12; 95% CI, 1.35-12.57; P=0.0129), RAD51 (Z score >1.2, HR, 3.23; 95% CI, 1.15-9.08; P=0.0258), and MRE11A (Z score >1.2, HR, 3.10; 95% CI 1.00-9.55; P=0.0491) were independent risk factor for overall survival. Conclusion The lower expression profile of DNA repair genes in APL may characterize APL as a distinct group from non-APL AML. Overexpression of PARP1, BRCA1, XRCC1, RAD51, and MRE11A could be one of the useful biomarkers for poor prognosis in non-APL AML patients. ;배경 손상된 DNA를 감시하고 회복시키는 시스템의 오작동은 세포 내에 DNA 손상을 축적시키고 유전적 불안정성을 야기시켜 종양발생에 기여하는 것으로 알려져 있다. 이 시스템의 기능 손상은 급성골수성백혈병의 발생과 병태생리적으로 밀접한 연관성이 있음이 밝혀진 바 있다. 한편, DNA 복구 유전자의 과발현이 급성골수성백혈병의 특정 염색체 그룹에서 불량한 예후와 연관되어 있음이 보고되었다. 급성골수성백혈병에서 DNA 복구 유전자 발현과 임상적 의미에 대한 산발적인 연구가 진행되어 왔지만 이에 대한 포괄적인 연구는 부족한 실정이다. 연구목적 본 연구에서는 급성골수성백혈병 환자에서 22가지 DNA 복구 유전자의 발현양상을 알아보고자 했다. 또한 유전자 발현에 따른 임상적 특성과 예후에 대한 영향을 분석했다. 방법 급성백혈병으로 진단받은 81명의 환자를 대상으로 연구를 진행하였다. 81명의 환자는 PML-RARA 재배열 양성인 급성전골수구성백혈병(acute promyelocytic leukemia)9명과 PML-RARA 재배열 음성인 72명의 급성골수성백혈병(27명의 유리한 예후군, 31명의 중간 예후군, 14명의 불리한 예후군)의 환자를 포함하였다. 이 중 7명은 치료관련 급성골수성백혈병이었다. DNA 복구 유전자의 발현은 22가지 유전자를 동시에 분석할 수 있도록 주문 제작한 RT2 Profiler PCR Array (CLAH29924, Qiagen, Valencia, CA)로 실험하였다. 메신저 RNA의 발현 정도에 따라 환자를 분류하기 위해 Z score 방법을 사용하였다. 결과 분석한 22개의 유전자 중 BRCA1, RAD51, POLD3, PARP1, RAD23A, MLH1, MLH3는 급성전골수세포백혈병에서 통계적으로 유의미하게 낮은 발현을 보여주었다(P = 0.0183, 0.0102, 0.0020, 0.0473, 0.0075, 0.0021, 0.0341). PML-RARA 재배열 음성인 급성골수성백혈병에서 유리한 예후군, 중간 예후군, 불리한 예후군 간에는 22가지 DNA 복구 유전자의 발현에 차이가 없었다. 복합핵형이 있는 급성골수성백혈병은 통계적으로 유의미한 RAD23A 유전자의 과발현을 보였으며(P=0.0055), 정상핵형 급성골수성 백혈병은 낮은 RAD23B 유전자 발현을 보였다(P=0.0023). 22가지 유전자의 mRNA 발현에 따라 분류한 DNA 복구 유전자의 과발현군(22개 유전자 중 Z score 1.5 이상이 적어도 하나 이상 포함하는 환자)와 과발현이 없는 군 간에 연령군에 따라 분포차이가 있었다. 연령이 높을수록 DDR 과발현 환자의 빈도가 높았다. 하지만, 예후군, 항암치료 병력, 완전관해율, 재발율에서는 분포의 차이가 없었다. 생존률 분석에서 DDR 과발현군이 비교대상군보다 낮은 생존율을 보였다(P=0.0286). 다변량 콕스 비례 위험도 생존 분석을 통해 나이, 예후 그룹, 동종 조혈모세포 이식 여부, PARP1 (Z score >0.4, HR, 2.53; 95% CI, 1.27-5.05; P=0.0082), BRCA1 (Z score >1.5, HR, 6.07; 95% CI, 1.51-24.31; P=0.0109), XRCC1 (Z score >1.5, HR, 4.12; 95% CI, 1.35-12.57; P=0.0129), RAD51 (Z score >1.2, HR, 3.23; 95% CI, 1.15-9.08; P=0.0258), and MRE11A (Z score >1.2, HR, 3.10; 95% CI 1.00-9.55; P=0.0491)가 전체생존률에 있어 독립적인 예후 인자로 확인되었다. 결론 급성전골수세포백혈병은 다른 종류의 급성골수성백혈병보다 DNA 복구 유전자의 발현이 유의하게 낮아 특징적으로 구별되는 급성골수성백혈병임을 시사한다. PARP1, BRCA1, XRCC1, RAD51, MRE11A 유전자의 과발현은 급성전골수세포백혈병을 제외한 급성백혈병 환자에서 불량한 예후군으로 분류할 수 있는 유용한 바이오마커로 이용될 수 있을 것이다.