Genomic analysis of primary and metastatic malignant melanoma

Abstract

“Cutaneous melanoma is a most unpredictable lesion” wrote Alexander Breslow in 1970. He was one of the first to predict outcome in melanoma patients, based on the thickness of the primary tumor, and today this parameter bears his name and remains the main prognostic factor in melanoma. The aim of this thesis has been to contribute to the understanding of melanoma biology in order to make this cancer more “predictable”. This thesis consists of two parts. The first part addresses the question of progression of melanoma. By analysis of multiple metastatic tumors from the same patient we showed that, although multiple lesions contained a core of molecular aberrations, in most patients each metastasis carried additional individual events. This may illustrate the biological basis for the inherent therapy resistance of melanoma. The majority of the shared single base substitutions carried a signature of UV-induced DNA damage, providing evidence for causal involvement of UV radiation in melanomagenesis. However, the biology of individual metastases within a patient was often very different, as they belonged to different molecular subtypes with distinct gene expression patterns. In one patient, we observed a large number of non-UV mutations in a late stage metastasis, a phenomenon that was not observed in the lesions that had been diagnosed earlier. The second part of this thesis addresses the question of the biological diversity of melanoma. The “unpredictability” of melanoma is reflected by the occasional clinical observation of one or more metastases in patients with thin primary lesions, and cases of thick lesions that remain confined to the primary site. Therefore, additional factors influence prognosis, and these are included in the current staging system. We described gene-expression based grade as an independent prognostic factor in primary melanoma, and even in melanomas with Breslow thickness over 2 mm. High-grade tumors expressed increased levels of cell cycle and DNA damage response and repair genes, while low-grade was associated with elevated expression of immune-response genes. In conclusion, the findings presented in this thesis emphasize the heterogeneity of melanoma with clinical implications.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Malignt melanom (även kallad melanom) är den farligaste formen av hudcancer. Dess incidens varierar från land till land och är den högsta i Australien, där 46.7 per 100,000 invånare drabbas årligen. I Sverige är melanom den sjätte vanligaste cancersjukdomen. Melanom har blivit allt vanligare under de senaste två decennierna. Om tumören upptäcks på ett tidigt, dvs. lokaliserat, stadium (s.k. primärt melanom), har patienten oftast en god prognos. Dock kan det vara svårt att känna igen melanom då det ofta liknar ett födelsemärke. Därför upptäcks en del av tumörer efter det att de har spridit sig till andra organ (s.k. metastatiskt melanom), och prognosen är försämrad. Fram till i fjol hade det inte funnits mediciner som bromsar sjukdomen. Tack vare den intensiva forskningen de senaste decennierna världen runt hade man i fjol godkänt två nya läkemedel som har effekt på spritt melanom. Det är dock inte alla som svarar på behandlingen, och hos många av dem som gör kommer sjukdomen tillbaka. Därför är det viktigt att förstå de biologiska processerna som styr tumörutvecklingen. Den här avhandlingen syftar till att bidra till förståelsen av melanombiologin.



I den här avhandlingen beskrivs arbetet med att klassificera primära melanom med hjälp av molekylära metoder, huvudsakligen genuttrycksprofilering. Vi har upptäckt att primära melanom kan delas in i fyra biologiska undergrupper (även kallade subtyper). Dessa grundar sig på molekylär karakterisering av 223 primära tumörer som har samlats in på avdelningen för patologi vid Lunds universitet. Den första gruppens melanom har ett högt uttryck av immunresponsgener och kallas i enlighet med detta ”high-immune”. Dessa tumörer innehåller ofta T celler som invaderar tumören i ett mönster som tidigare har visat sig gynnsam från prognostisk synvinkel. Den andra har förutom immunresponsgener även ett högt uttryck av gener som normalt kännetecknar hudceller och kallas därför ”normal-like”. Melanom i dessa två grupper är tunnare, har mindre ulceration och mitoser, vilka är alla positiva prognostiska tecken. Den tredje gruppen har ett högt uttryck av gener som styr eller medverkar i celldelningen och kallas därför ”proliferative”. Slutligen, den fjärde gruppen har ett högt uttryck av celldelningsgener och därutöver pigmenterings- och DNA reparationsgener, och kallas därför ”pigmentation”. De fyra grupperna har signifikant olika prognos, med en bättre överlevnad i high-immune och normal-like subtyperna. Därför går det att med stor sannolikhet förutsäga prognos redan på ett tidigt stadium om man undersöker genuttryck i primärtumören. Eftersom high-immune och normal-like grupperna hade så lika biologi och prognos, la vi samman dessa till en ny grupp (s.k. low-grade) och de andra två grupperna till high-grade. Lodrät (s.k. Breslow) tjocklek - mätt från utsidan av tumören ner till de tumörceller som har invaderat djupast in i huden - är den främsta prognostiska faktorn i melanom. Viktigt är att grade har ett prognostiskt värde även om man justerar för sjukdomsstadium, som innehåller Breslow som en av främsta parametrar. Dessutom, bland de tjockare tumörerna (Breslow över 2 mm) är grade den enda parametern som delar in patienterna i två grupper med signifikant olika överlevnad.



Spritt, eller metastatiskt melanom har dålig prognos. En intressant fråga är vad som händer på molekylär nivå när flera metastaser uppstår hos en patient med en primärtumör. Är dessa metastaser lika som (bokstavligen) kloner av varandra, eller har de enskilda genetiska förändringar? Vi använde oss av genetisk och epigenetisk analys av tumörernas hela genom, liksom mutationsanalys av utvalda gener. Det visade sig att metastaser som uppstår hos en patient har många gemensamma förändringar. Detta indikerar deras gemensamma ursprung. Mutationsmönster i metastaserna återspeglade effekt av UV strålning, som är en känd faktor i uppkomst av melanom. Hos de flesta av patienterna bar dock varje metastas på enskilda förändringar vad gäller promotormetylering, uttryck av enskilda gener, kopietal av DNA fragment och även mutationer. Hos den ena patienten var de tumörspecifika mutationerna i den sista metastasen av en så avvikande typ (dvs. annan typ än UV mönstret) att en ny mutagen inte kan uteslutas; möjligen inducerades de av den DNA-alkylerande behandling som patienten fått innan metastasen diagnostiserades. Sammanfattningsvis tyder dessa studier på att melanommetastaser hos en patient kan skilja sig mycket. Det kan förklara den varierande behandlingseffekten och kanske även den snabba uppkomsten av resistens vid målriktad terapi.

• author: Harbst, Katja
• supervisor: Göran B Jönsson; Pär-Ola Bendahl; Markus Ringnér; Åke Borg; Christian Ingvar
• opponent: Weeraratna, Ashani, The Wistar Institute, Philadelphia, USA
• organization: Breastcancer-genetics; BioCARE: Biomarkers in Cancer Medicine improving Health Care, Education and Innovation
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cancer and Oncology
• keywords: next-generation sequencing, microarray, progression, molecular grade, subtype, melanoma
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2012:103
• pages: 56 pages
• defense location: Segerfalkssalen, BMC, Sölvegatan 17, Lund
• defense date: 2012-12-18 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87189-66-1
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 9c509e0f-96bf-4693-ab2b-2cae51d75209 (old id 3195373)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:04:18
• date last changed: 2023-04-18 20:01:15