Γενετικές παραλλαγές σε γονιδιακούς τόπους που βρίσκονται εντός (cis) αλλά και εκτός (trans) του συμπλέγματος των ανθρώπινων β-σφαιρινικών γονιδίων έχει δειχθεί πως συσχετίζονται σημαντικά με τα επίπεδα της εμβρυϊκής αιμοσφαιρίνης (HbF). Ένα από τα γονίδια αυτά είναι το γονίδιο MAP3K5 (ή ASK1), το οποίο είναι μέλος της οδού της MAP κινάσης, ενεργοποιείται από διάφορες παθολογικές καταστάσεις και από προ-φλεγμονώδεις κυτοκίνες, συμβάλλοντας στην κυτταρική απόπτωση. Πρόσφατα αποτελέσματα από το εργαστήριό μας έδειξαν ότι η παρουσία του σπάνιου αλληλομόρφου C σε μονονουκλεοτιδικούς πολυμορφισμούς (SNP) του συγκεκριμένου γονιδίου, και συγκεκριμένα στους rs9376230 και rs9483947, συσχετίζεται με μειωμένα επίπεδα της εμβρυϊκής αιμοσφαιρίνης (HbF) (Tafrali et al., 2013). Για το λόγο αυτό, υποθέσαμε ότι οι πολυμορφισμοί αυτοί συνδέονται με πιθανές αλλαγές σε ρυθμιστικές περιοχές του γονιδίου ΜΑΡ3Κ5 οι οποίες τροποποιούν τα επίπεδα έκφρασής του. Έτσι, ερευνήσαμε τον υποκινητή του γονιδίου ΜΑΡ3Κ5 ως προς τη συχνότητα παρουσίας τεσσάρων ή πέντε αντιγράφων της μικροδορυφορικής αλληλουχίας 5’ – GCGCG – 3’ (θέση -51 έως -27 από τη θέση έναρξης της μεταγραφής). Με την προσέγγιση αυτή θελήσαμε να εξακριβώσουμε εάν οι μικροδορυφορικές αυτές αλληλουχίες συνδέονται με τους μονονουκλεοτιδικούς πολυμορφισμούς και, κατά συνέπεια, με τα επίπεδα της HbF σε ασθενείς με ενδιάμεση ή μείζονα β-μεσογειακή αναιμία και σε μη-θαλασσαιμικά άτομα. Για τον σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκαν 11 ασθενείς με ενδιάμεση β-μεσογειακή αναιμία, 15 ασθενείς με μείζονα β-μεσογειακή αναιμία και 60 μη-θαλασσαιμικά άτομα ελληνικής καταγωγής. Ο προσδιορισμός του γονότυπου πραγματοποιήθηκε με εκλεκτική ενίσχυση του τμήματος του υποκινητή του γονιδίου ΜΑΡ3Κ5, μεταξύ των θέσεων -273 έως και +79, και στη συνέχεια, είτε με αλληλούχιση σε αυτοματοποιημένο αναλυτή ή με ανάλυση ετεροδιμερών. Η ανάλυση έδειξε ότι υπάρχει σχεδόν απόλυτη σύνδεση των σπάνιων αλληλομόρφων C τόσο για τον rs9376230 όσο και για τον rs9483947 με τη μικροδορυφορική αλληλουχία των πέντε επαναλήψεων, σχηματίζοντας έναν απλότυπο. O συγκεκριμένος απλότυπος συσχετίζεται με χαμηλά επίπεδα της HbF και το φαινότυπο της βαριάς β-μεσογειακής αναιμίας, αφού σε ασθενείς με μείζονα β-μεσογειακή αναιμία εντοπίζεται με συχνότητα 60% και αποκλίνει στατιστικώς σημαντικά από τις αντίστοιχες συχνότητες σε ασθενείς με ενδιάμεση β-μεσογειακή αναιμία (p=0,04) και σε μη-θαλασσαιμικά άτομα (p=0,003). Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ότι οι πολυμορφισμοί rs9376230 και rs9483947 συνδέονται με τη μικροδορυφορική αλληλουχία του υποκινητή, η οποία έχει πιθανό λειτουργικό ρόλο στα επίπεδα έκφρασης του γονιδίου ΜΑΡ3Κ5. / Genetic variations in loci that are in cis or trans of the human beta-globin gene cluster are shown to correlate significantly with the levels of fetal hemoglobin (HbF). One of these genes is MAP3K5 (or ASK1), a member of the MAPK pathway, which is activated by various stresses and pro-inflammatory cytokines that contribute to cellular apoptosis. Recent results from our laboratory have shown that the presence of the rare C allele in two intronic SNPs of MAP3K5, namely rs9376230 and rs9483947, is associated with reduced levels of fetal hemoglobin (HbF) (Tafrali et al., 2013). For this reason, we assumed that these polymorphisms may be associated with changes in the regulatory regions of MAP3K5 which could modify its expression levels. Thus, we investigated the frequency of a microsatellite marker at the proximal promoter region of MAP3K5, regarding the presence of four or five repeats of a 5-bp short tandem repeat (STR), am y 5’ – GCGCG – 3’ (positio -51 to -27 from transcription start site). With this approach, we wanted to ascertain whether this STR is associated with the previously studied SNPs (Tafrali et al., 2013) and consequently with th v s o bF i β-thalassemia intermediate or major patients compared to non-thalassemic individuals. For this purpose, we analyzed the DNA samples from 11 β-tha ass mia i t rm ia a 15 β-thalassemia major patients, as well as 60 non-thalassemic controls of Western Greek origin. Genotyping was performed by selectively amplifying a MAP3K5 gene promoter fragment between positions -273 to +79, followed by either sequencing or heteroduplex analysis. The analysis showed that there is an almost perfect correlation of the rare C allele for rs9376230 and the rare C allele for rs9483947 with the five STR repeats, forming a haplotype associated with low levels of HbF and with the phenotype of severe b-thalassemia. This haplotype is detected with a r qu cy o 60% i β-thalassemia major patients and it statistica y sig i ica t y viat s rom th corr spo i g r qu ci s i β-thalassemia intermedia patients (p = 0.04) and in non-thalassemic individuals (p = 0.003). These results indicate that the polymorphisms rs9376230 and rs9483947 are in linkage with the promoter STR polymorphism, which may have a functional role in MAP3K5 gene expression.

Οι αιμοσφαιρινοπάθειες συγκαταλέγονται ανάμεσα στις πιο κοινές μονογονιδιακές διαταραχές παγκοσμίως, συμπεριλαμβανομένης της β-θαλασσαιμίας και της δρεπανοκυτταρικής αναιμίας. Η επανενεργοποίηση των γονιδίων της γ-σφαιρίνης φαίνεται να είναι μια ενδιαφέρουσα θεραπευτική προσέγγιση για τους ασθενείς που πάσχουν από β-τύπου αιμοσφαιρινοπάθειες. Ορισμένες φαρμακευτικές ουσίες έχουν τη δυνατότητα να επάγουν παροδικά την έκφραση των γονιδίων της γ-σφαιρίνης γεγονός που βελτιώνει το φαινότυπο των ασθενών λόγω των υψηλότερων επιπέδων HbF που παρατηρούνται. Η μόνη φαρμακευτική ουσία που έχει εγκριθεί από τον FDA και χρησιμοποιείται ευρύτατα σε ασθενείς που πάσχουν από β-τύπου αιμοσφαιρινοπάθειες και συγκεκριμένα από δρεπανοκυτταρική αναιμία είναι η HU. Παρά το γεγονός ότι στην πλειονότητα των ασθενών παρατηρείται αύξηση της παραγωγής HbF μετά από αγωγή με HU (Steinberg et al. 1997), τα επίπεδα αύξησης διαφέρουν αρκετά μεταξύ των ασθενών που πάσχουν από β-θαλασσαιμία και δρεπανοκυτταρική αναιμία(Patrinos and Grosveld 2008). Σύμφωνα με τους Borg και συνεργάτες, το γονίδιο KLF10 φαίνεται να σχετίζεται με την αύξηση των επιπέδων της HbF και την ανταπόκριση ασθενών με β-τύπου αιμοσφαιρινοπάθειες σε θεραπεία με HU(Borg et al. 2012). Στην παρούσα μελέτη διερευνήθηκε η πιθανή συσχέτιση των SNP rs319133 και rs11552577, που εδράζονται στο γονίδιο KLF10, με αυξημένα επίπεδα HbF και η αξιολόγηση αυτών ως φαρμακογονιδιωματικοί δείκτες, που σχετίζονται με τη μεταβλητότητα των επιπέδων της HbF ως απόκριση στη θεραπεία με HU. Χρησιμοποιήθηκαν ασθενείς που πάσχουν από βαριά β-θαλασσαιμία, ενδιάμεση β-θαλασσαιμία, μη-θαλασσαιμικοί ασθενείς και διπλά ετερόζυγοι ασθενείς για β-θαλασσαιμία και δρεπανοκυτταρική αναιμία. Η μέθοδος γονοτύπησης που χρησιμοποιήθηκε και για τους δύο πολυμορφισμούς ήταν η PCR-RFLP. Η απουσία του πολυμορφισμού rs319133 φαίνεται να σχετίζεται με αυξημένα επίπεδα HbF στους ασθενείς που χαρακτηρίζονται από ενδιάμεση β-θαλασσαιμία συγκριτικά με ασθενείς που πάσχουν από βαριά β-θαλασσαιμία (p=0.04). Επίσης παρατηρείται μια στατιστική τάση συσχέτισης χειρότερης ανταπόκρισης στην αγωγή με HU στους διπλά ετερόζυγους ασθενείς 96 για β-θαλασσαιμία και δρεπανοκυτταρική αναιμία. Για τον δεύτερο πολυμορφισμό που μελετήθηκε δεν παρατηρήθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές. Τα δεδομένα της παρούσας μελέτης υποδεικνύουν συσχέτιση του γονιδίου KLF10 με αυξημένα επίπεδα HbF. Μελέτες σε πολυπληθέστερες ομάδες θα μπορούσαν να οδηγήσουν στον εντοπισμό και άλλων πολυμορφισμών που σχετίζονται με αυξημένη έκφραση των γονιδίων της γ-σφαιρίνης. / Hemoglobinopathies are amongst the most common single gene disorders worldwide, including the thalassemias and sickle cell disease (SCD). Reactivation of the human γ-globin genes would be a therapeutic intervention for β-type hemoglobinopathies patients. Some drugs and compounds can transiently induce γ-globin gene expression and improve the disease phenotype by augmenting HbF accumulation. Only HU (hydroxyurea) is approved from the FDA and is widely used to treat patients with β-type hemoglobinopathies, in particular sickle cell disease. Although the majority of patients show an increase of HbF production upon HU treatment(Steinberg et al. 1997), the level of HbF increase differs considerably among β-thalassemia and SCD patients(Patrinos and Grosveld 2008). According to Borg et al, KLF10 appears to be significantly associated with high HbF and it may act as an important pharmacogenetic biomarker for β-type hemoglobinopathies patients who are treated with HU(Borg et al. 2012). The aim of our study was to elucidate whether there is an association of the SNPs namely rs3191333 and rs11552577 in KLF10 gene with increased levels of HbF and with response to HU treatment in β-hemoglobinopathies patients. We analyzed samples of β-thalassemia major patients, of β-thalassemia intermedia patients, of healthy (non-thalassemic) donors and samples of SCD/β–thalassemia patients who have been treated with HU. Genotyping was carried out by using PCR-RFLP. The lack of rs3191333 is associated with increased HbF levels in β–thalassemia intermedia compared to β– thalassemia major patients (p=0.04). Also, it is shown a statistical trend of worse response to HU treatment in compound heterozygote β–thalassemia-SCD patients. As far as rs11552577 is concerned no statistically significant differences were observed. Our data show that KLF10 gene is strongly associated with HbF levels. Further analyses could possibly reveal novel variants which are associates with increased expression of γ-globin genes.

Τα αυξημένα επίπεδα εμβρυϊκής αιμοσφαιρίνης (HbF) μετριάζουν την βαρύτητα των διαταραχών που αφορούν στην β-σφαιρίνη, δηλαδή τη δρεπανοκυτταρική αναιμία (SCD) και την β-μεσογειακή αναιμία, που αποτελούν σημαντικές αιτίες παγκόσμιας νοσηρότητας και θνησιμότητας. Γι’ αυτό το λόγο είναι μακροχρόνιο το ενδιαφέρον για την ανάπτυξη θεραπευτικών προσεγγίσεων για την επαγωγή της παραγωγής HbF. Η αναζήτηση μορίων που ρυθμίζουν την μετάβαση από την έκφραση της εμβρυϊκής (HbF) στην έκφραση της αιμοσφαιρίνης των ενηλίκων (HbA) και που συντελούν στην διατήρηση της αποσιώπησης ή αντίθετα στην ενεργοποίηση της έκφρασης της HbF στους ανθρώπους αποτελεί πολυετές αντικείμενο έρευνας με σκοπό την στόχευση αυτών των παραγόντων για την επαγωγή της HbF (Sankaran et al. 2011). Έτσι, εκτός από τα cis-ρυθμιστικά στοιχεία, έχουν εντοπιστεί και trans-ρυθμιστικά στοιχεία, τα οποία αποτελούν κυρίως μεταγραφικούς παράγοντες. Όμως υπάρχουν και γονιδιακοί τόποι εκτός του β-συμπλέγματος που φαίνεται να επιδούν στην ρύθμιση της έκφρασης των γονιδίων του β-γονιδιακού τόπου. Τέτοιοι είναι οι τόποι που συνδέονται με «ποσοτικά γνωρίσματα» (Quantitative trait loci-QTL). Η χρωμοσωμική περιοχή 6q23 έχει σε διάφορες μελέτες προσδιοριστεί ως QTL, που συνδέεται με την μεταβολή των επιπέδων της HbF σε ασθενείς με SCD. (Close et al. 2004, Thein et al. 2007, Wyszynski et al. 2004). Ο σκοπός της παρούσας μελέτης είναι διττός: A. Ο εντοπισμός μονονουκλεοτιδικών πολυμορφισμών (SNP) εντός των γονιδίων MAP3K5 και PDE7B του QTL στην 6q23 χρωμοσωμική περιοχή, που να σχετίζονται με αυξημένα επίπεδα HbF. B. Η αξιολόγηση των SNP αυτών ως φαρμακογονιδιωματικών δεικτών, που να σχετίζονται με την μεταβλητότητα των επιπέδων της HbF ως απόκριση στη θεραπεία με HU. / Hemoglobinopathies, particularly β-thalassemia and sickle cell disease (SCD), are major health problems, in which quantitative or qualitative defects in hemoglobin production occur, respectively. Under normal circumstances, different types of hemoglobin (Hb) are produced during embryonic, fetal, and adult life. At birth, fetal hemoglobin (HbF), in particular, composes 80–90% of the total hemoglobin synthesized, but it gradually decreases to approximately 1% by 10 months in infancy as its synthesis is restricted to a small subset of erythrocytes termed ‘F cells’ [Patrinos&Grosveld, 2008]. The first studies searching for regulators of HbF expression were conducted on individuals with heterocellular hereditary persistence of HbF (HPFH) – i.e. increase of HbF levels unevenly distributed among ‘F cells’ – and suggested the absence of linkage between the determinant of the HbF levels and the β-globin gene cluster, back then named “non-α globin cluster” [Gianni et al., 1983]. Later, while seeking for genetic elements associated with elevated HbF levels in healthy adults, several cis-acting variants on the β-globin gene complex were unraveled, including the XmnI-Gγ (HBG2) gene promoter polymorphism [Gilman et al., 1985]. Ιn addition, variants unlinked to the β-locus (trans-acting), such as quantitative trait loci (QTLs) on Xp22 [Dover et al., 1992] and 6q23 [Craig et al., 1996] became known soon after. Initially, a study on an extensive, inbred kindred of Asian Indian origin with heterocellular HPFH revealed that a key locus controlling HPFH resides on chromosome 6q, which was fine-mapped to 6q22.3–23.1 [Craig et al., 1996]. Among the first positional candidate genes in the 6q23 region, assumed to possibly explain this QTL, were the MYB proto-oncogene and the eukaryotic release factor-similar HBS1L, as well as the mitogen-activated protein kinase kinase kinase 5 (MAP3K5) [Game et al., 2000]. In addition, genes within this region are associated with response to hydroxyurea (HU) treatment based on elevated HbF levels, in SCD patients; however, the mechanism by which this chromosome 6q22-23 QTL influences HbF levels in the context of HU treatment remains unknown [Ma et al., 2007] and very few, if any, studies have addressed this question. In continuing the global effort of scrutinizing the 6q23 region for variants accounting for the modulation of HbF production, we investigated a possible association of SNPs residing within the MAP3K5 and PDE7B genes with elevated HbF levels in β-thalassemia intermediate or major patients and normal (non-thalassemic) individuals. We also examined a cohort of 38 heterozygous SCD/β-thalassemia patients who had undergone HU therapy, in order to clarify whether there is a correlation of these SNPs with HU treatment response in patients of Hellenic origin.