Chromosomal Instability and Genomic Amplification in Bone and Soft Tissue Tumours

Abstract

Acquired genetic abnormalities are found in all types of malignant tumours and may contribute to neoplastic processes by altering protein structure or dosage. Many bone and soft tissue tumours (BSTT) are characterised by complex patterns of chromosome changes, including extensive intratumour heterogeneity and amplification of DNA sequences. The results presented in this thesis demonstrate that the cytogenetic heterogeneity in a number of BSTT may, to a considerable extent, be caused by ring and dicentric chromosomes involved in breakage-fusion-bridge (BFB) events, as shown by the strong correlation between sequences present in mitotically unstable chromosomes and anaphase bridges. In borderline/low-malignant tumours with ring chromosomes carrying amplified sequences from chromosome 12, BFB rearrangements are associated with intratumour variability in the organisation of amplified material and abnormalities in centromeric alpha satellite sequences, including neocentromere formation. After the healing of broken ends by telomeric sequences from other chromosomes, rings may transform into giant marker chromosomes, which may occasionally be dicentric and rearrange further. BFB instability is also present in highly malignant tumours exhibiting a complex, unspecific, and heterogeneous pattern of chromosome aberrations. These neoplasms typically show unstable dicentric chromosomes and a general destabilisation of the chromosome complement. Tumour cells with BFB instability exhibit a decreased elimination rate of mitotically unstable chromosomes, which may be partly related to disruption of the normal TP53–dependent DNA damage response. In both BSTT and epithelial tumours, BFB events are associated with specific abnormalities in nuclear shape, indicating that nuclear atypia may serve as an indicator of ongoing genomic reorganisation in neoplastic cell populations.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

De flesta cancerformer uppvisar förvärvade kromosomavvikelser. En del enklare avvikelser har visat sig förekomma enbart i en viss tumörform och kan därför användas som diagnostiska markörer. I de flesta fall föreligger emellertid ett komplext och ospecifikt avvikelsemönster, ibland med ett mycket kraftigt ökat antal kopior av vissa DNA-sekvenser, så kallad genamplifiering. Inte sällan förekommer också stor genetisk variation inom en och samma tumör. Orsakerna till sådan kromosomal instabilitet och dess roll i tumörutveckling har hittills ej utforskats i någon större omfattning, trots att fenomenet uppträder i många vanliga cancerformer och kan försvåra diagnostik och behandling.



De senaste åren har kunskapen om den mänskliga arvsmassans sammansättning ökat kraftigt. Samtidigt har fluorescensbaserade tekniker utvecklats för att specifikt visualisera DNA-sekvenser i en cells kromosomuppsättning. Detta har medfört att även mycket komplexa avvikelser nu kan studeras i detalj och att variationer inom en cellpopulation lättare kan överblickas. I denna studie användes fluorescens-in-situ-hybridisering (FISH) tillsammans med konventionella metoder för kromosombandning för att studera kromosominstabilitet och genamplifiering i tumörer från skelett och mjukdelar. Som ett första steg undersöktes en grupp av lågmaligna tumörer som kännetecknas av att cellerna innehåller ringformade kromosomer och/eller jättelika, abnorma stavkromosomer, vilka båda innehåller amplifierade gener från kromosom 12. FISH visade att organisationen av gener i ringkromosomerna varierade starkt inom en och samma tumör. När delningsförloppet hos odlade tumörceller undersöktes visade det sig att denna variation berodde på att kromosomerna ofta genomgick brott-fusion-brygg (BFB) cykler i samband med celldelningen. Denna process innebär att ringkromosomerna inte delar sig normalt, utan spänns ut mellan polerna i celldelningen, för att därefter brista i två eller flera delar. Delarna fördelas mellan de båda dottercellerna och de brustna kromosomändarna läker sedan samman så att nya ringar bildas. Dessa ringar, som ofta har en annorlunda struktur än den ursprungliga ringen, kan sedan på nytt tänjas ut och brista i följande celldelning, och på så sätt uppkommer kontinuerligt nya varianter av ringar efterhand som tumörcellerna ökar i antal. Eftersom BFB-cyklerna innebär att genetiskt material fördelas ojämnt mellan dottercellerna vid en delning kan denna mekanism också förklara det stora antalet kopior av vissa gener i ringarna: sannolikt kommer de celler som erhåller många kopior av tillväxtbefrämjande gener att dela sig oftare än andra, så att celler med stora ringar och ett stort antal sådana gener, anrikas i tumörvävnaden.



De stora stavkromosomernas struktur varierade i betydligt lägre grad än ringarnas. Dock innehöll både stavar och ringar, i varje enskilt fall, alltid samma amplifierade DNA-sekvenser. Organisation av sekvenser i stavarna antydde att de flesta härrörde från brustna ringar vars ändar stabiliserats, sannolikt genom att fånga ändsekvenser från andra kromosomer. I sällsynta fall var stavarna emellertid dicentriska, d.v.s. de hyste extra fästpunkter för kromosomdelningsmaskineriet, och kunde därför bilda bryggor och nya kromosomstrukturer sedan bryggorna brustit, precis som ringarna. I de lågmaligna tumörerna var således både instabilitet och genamplifiering nära förknippad med en ständig omorganisation av det genetiska materialet genom BFB-cykler.



Som en jämförelse studerades också instabiliteten hos medfödda ringkromosomer. Dessa förekommer i sällsynta fall hos barn med tillväxthämning och missbildningar, och finns i praktiskt taget alla kroppens celler. Undersökningar av odlade hudceller från sådana patienter visade att dessa ringar var betydligt mer stabila än de som förekom i de lågmaligna tumörerna: bryggor uppkom mycket sällan vid celldelning och variationen i ringarnas struktur var obetydlig inom ett och samma fall. När ringar i leukemiceller och godartade tumörer undersöktes visade även dessa mycket liten instabilitet. Detta visade att ringkromosomer kan variera i stabilitet beroende på i vilken typ av celler de förekommer i.



I nästa steg utfördes analys av celler från tumörer av högre malignitetsgrad. Såväl celldelningar som kromosomavvikelser studerades i detalj, bland annat med nyligen framtagna metoder för kromosomanalys med flerfärgsfluorescens. BFB-cykler förekom i majoriteten av de tumörer som uppvisade ett komplext, ospecifikt och heterogent mönster av avvikelser, medan tumörer med enkla och specifika avvikelser uppvisade ett normalt celldelningsförlopp. Instabiliteten förekom inte bara i skelett- och mjukdelstumörer, utan också i cancerceller från bukspottkörtel och äggstockar. Oftast var det dicentriska kromosomer som deltog i BFB-cyklerna, medan ringar i dessa fall var mindre vanliga. Genom att bestråla celler i odling och sedan studera dem under följande celldelningar kunde det visas att högmaligna tumörceller med BFB-instabilitet uppvisade en större tolerans mot kromosombrott än normala celler och genetiskt stabila tumörceller. Detta tyder på att de mekanismer som normalt hindrar celler med skadade kromosomer från att dela sig, åtminstone delvis, är satta ur spel i tumörer som uppvisar BFB-cykler.



Slutligen genomfördes också en utvärdering av cellkärnors struktur i tumörer med olika grad av instabilitet. Avvikelser i kärnornas utseende har länge ansetts vara ett kännemärke för maligna vävnader, men de bakomliggande orsakerna till fenomenet var i stort sett okända. Fluorescensanalyser av cellkärnor i mjukdelstumörer visade att majoriteten av abnorma kärnstrukturer, inklusive kärnblåsor, kärnsträngar och mikrokärnor, innehöll material från ring- eller stavkromosomer som genomgick BFB-cykler. I bestrålade celler kunde det visas att frekvensen av abnorma kärnor var direkt proportionell mot andelen celldelningar med bryggor. Vidare jämfördes mönstret av kromosomavvikelser med förekomsten av abnorma kärnor i drygt femtio tumörer från skelett, mjukdelar, lungor, och äggstockar. Fall med många avvikande kärnor uppvisade stor variabilitet i kromosommönstret och innehöll oftare ringformade eller dicentriska kromosomer än de fall som uppvisade en normal kärnstruktur. Avvikelser i cellkärnans utseende tycks således, till en avsevärd del, kunna förklaras av BFB-processer; sannolikt genom att kromosomer som permanent fastnar i celldelningen, eller slits sönder, ger upphov till rubbningar av kärnans kontur.



Sammanfattningsvis visar denna studie att BFB-cykler är en vanlig mekanism för kromosominstabilitet hos låg- och högmaligna tumörer från skelett och bindväv, samt även i en del cancerformer från andra vävnader. Denna instabilitet är sannolikt beroende av en ökad tolerans för kromosomskador hos tumörcellerna och kan spela en viktig roll i tumörutvecklingen genom att möjliggöra snabba genetiska miljöanpassningar och vidare utveckling mot högre malignitet, bland annat genom amplifiering av gener som stimulerar tumörcellernas tillväxt och överlevnad. Upptäckten att BFB-cykler ger upphov till vissa typer av avvikelser i cellkärnornas utseende tillhandahåller en snabb och enkel metod för att upptäcka tumörer med instabil arvsmassa.

• author: Gisselsson Nord, David
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Levan, Göran
• organization: Division of Clinical Genetics
• publishing date: 2000
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Medical Genetics
• keywords: nuclear atypia, kinetochore, anaphase bridge, p53, breakage-fusion-bridge cycle, TP53, HMGIC, MDM2, mitotic instability, genomic instability, FISH, osteosarcoma, liposarcoma, amplification, tumour, chromosome, cytogenetics, Clinical genetics, Klinisk genetik
• pages: 140 pages
• defense location: Segerfalksalen, WNC, Sölveg. 17
• defense date: 2000-12-12 10:00:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MECG-1019-SE
• ISBN: 91-628-4258-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 6ded44b2-5a88-4551-b4fe-417f6c175d74 (old id 41012)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:44:54
• date last changed: 2018-11-21 21:06:56