Introduction: B-cell precursor acute lymphoblastic leukemia (BCP-ALL) is the most prevalent heterogeneous cancer in children and adults, with multiple subtypes. Emerging evidence suggests that long non-coding RNAs (lncRNAs) might play a key role in the development and progression of leukemia. Thus, we performed a transcriptional and DNA methylation survey to explore the lncRNA landscape on three BCP-ALL subtypes (82 samples) and demonstrated their functions and epigenetic profile.
Methodology: The primary BCP-ALL samples from bone marrow material were collected from diagnosis (ID) and relapse (REL) stages of adult (n = 21) and pediatric (n = 24) BCP-ALL patients, using RNA-seq and DNA methylation array technology. The subtype-specific and relapse-specific lncRNAs were analyzed by differential expression (DE) analysis method using LIMMA Voom. By analyzing the co-expression of the subtype-specific lncRNAs and protein-coding (PC) genes from all subtypes, we inferred potential functions of these lncRNAs by applying “guilt-by-association” approach. Additionally, we validated our subtype-specific lncRNAs on an independent cohort of 47 BCP-ALL samples. The epigenetic regulation of subtype-specific lncRNAs were identified using the Bumphunter package. The correlation analysis was performed between DM and DE lncRNAs from three subtypes to determine the epigenetically facilitated and silenced lncRNAs.
Results: We present a comprehensive landscape of lncRNAs signatures which classifies three molecular subtypes of BCP-ALL on DNA methylation and RNA expression levels. The principle component analysis (PCA) on most variable lncRNAs on RNA and DNA methylation level confirmed robust separation of DUX4, Ph-like and NH-HeH BCP-ALL subtypes. Using integrative bioinformatics analysis, subtype-specific and relapse-specific lncRNAs signature together determine 1564 subtype-specific and 941 relapse-specific lncRNAs from three subtypes. The unsupervised hierarchical clustering on these subtype-specific lncRNAs validated their specificity on the independent validation cohort. For the first time, our study demonstrates that BCP-ALL subtype specific as well as relapse-specific lncRNAs may contribute to the activation of key pathways including TGF-β, PI3K-Akt, mTOR and activation of JAK-STAT signaling pathways from DUX4 and Ph-like subtypes. Finally, the significantly hyper-methylated and hypo-methylated subtype-specific lncRNAs were profiled. In addition to that, we identified 23 subtypes specific lncRNAs showing hypo and hyper-methylation pattern in their promoter region that significantly correlates with their diminished and increased expression in respective subtypes.
Conclusions: Overall, our work provides the most comprehensive analyses for lncRNAs in BCP-ALL subtypes. Our findings suggest a wide range of biological functions associated with lncRNAs and epigenetically facilitated lncRNAs in BCP-ALL and provide a foundation for functional investigations that could lead to novel therapeutic approaches.
Einführung: Die B-Vorläufer akute lymphatischen Leukämie (BCP-ALL) ist eine heterogene Krebserkrankung mit mehreren definierten Subgruppen. Neue Daten deuten darauf hin, dass lange nicht-kodierende RNAs (long noncoding RNAs - lncRNAs) eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung und Progression der BCP-ALL spielen könnten. Daher führten wir eine Transkriptions- und DNA-Methylierungsstudie durch, um die lncRNA-Landschaft von drei BCP-ALL-Subgruppen (82 Proben) zu charakterisieren und potentielle regulative Konsequenzen zu analysieren. Methodik: Material wurde zum Zeitpunkt der Erstdiagnose (ID) und im Rezidiv (REL) von erwachenen (n = 21) und pädiatrischen (n = 24) BCP-ALL-Patienten entnommen und unter Verwendung von RNA-Seq und DNA-Methylierungs-Array-Technologien untersucht. Die Subgruppen-spezifischen und rezidiv-spezifischen lncRNAs wurden durch differentielle Expressions (DE) Analysen mit LIMMA Voom analysiert. Durch die Analyse der Koexpression von lncRNAs mit Protein-kodierenden (PC) Genen aus allen Subgruppen schlossen wir unter Verwendung eines ‚Guilt-by-association‘ -Ansatzes auf potentielle Funktionen der DE lncRNAs. Zudem haben wir die Subgruppen-spezifischen lncRNAs auf einem unabhängigen Datenset von 47 BCP-ALL-Proben validiert. Die epigenetische. Die epigenetische Regulation von Subgruppen-spezifischen lncRNAs wurde durch eine differentielle Methylierungs (DM) analyse identifiziert. Die Korrelation zwischen DM und DE lncRNAs aus drei Subgruppen wurde ermittelt, um den Einfluss der epigenetischen Regulation auf die Expression von lncRNAs zu analysieren. Ergebnisse: Wir präsentieren eine umfassende Landschaft von lncRNA-Signaturen, die drei molekulare Subtypen von BCP-ALL auf DNA-Methylierungs- und RNA-Expressionslevel klassifiziert. Die Hauptkomponentenanalyse (PCA) auf den top variablen lncRNAs auf RNA und DNA-Methylierungsniveau bestätigte eine robuste Trennung von Ph-like, DUX4 und NH-NeH BCP-ALL Subtypen. Mit integrativer bioinformatischer Analyse, zusammen 1564 subtyp-spezifische und 941 rezidiv-spezifische lncRNAs aus den drei Subtypen. Das unüberwachte hierarchische Clustering auf diesen Subtyp-spezifischen lncRNAs validierte ihre Spezifität in der unabhängigen Validierungskohorte. Unsere Studie zeigt erstmals, dass BCP-ALL-Subtyp-spezifische sowie Rezidiv-spezifische lncRNAs zur Aktivierung von Signalwegen wie TGF-β, PI3K-Akt, mTOR und Aktivierung von JAK-STAT-Signalwegen von DUX4 und Ph-like Subtypen. Endlich wurden die signifikant DM subtyp-spezifische lncRNAs profiliert. Darüber hinaus identifizierten wir 23 Subtyp-spezifische lncRNAs, die ein Hypo- und Hypermethylierungsmuster in ihrer Promotorregion zeigen, das signifikant mit ihrer verringerten und erhöhten Expression in den jeweiligen Subtypen korreliert. Schlussfolgerungen: Insgesamt liefert unsere Arbeit die umfassendsten Analysen für lncRNAs in BCP-ALL-Subtypen. Unsere Ergebnisse weisen auf eine Vielzahl von biologischen Funktionen im Zusammenhang mit lncRNAs und epigenetisch erleichterten lncRNAs in BCP-ALL hin und bieten eine Grundlage für funktionelle Untersuchungen, die zu neuen therapeutischen Ansätzen führen könnten.
