Characterization of somatic mutations in nonneoplastic cells

Abstract

Acquired genetic alterations, of which many are visible on the chromosome level, are believed to be necessary for tumorigenesis, and most tumors display characteristic patterns of recurrent structural and numerical aberrations. However, two of the most frequently occurring chromosome mutations in malignant and benign solid tumors, i.e., trisomy 7 and rearrangements of 12q13-15, have recently been reported as characteristic aberrations in reactive lesions, in particular in osteoarthritis (OA), suggesting that these mutations are important in nonneoplastic disease processes as well. In the present thesis, cytogenetic and molecular genetic techniques have been used to address different biological aspects of these two mutations. In the first study, multiple biopsies from OA-patients were independently short-term cultured and cytogenetically analyzed. The homogenous chromosome aberration pattern observed in all cell cultures from each patient ruled out the possibility that clonal chromosomal aberrations in OA-affected tissues are in vitro artifacts. In the second study, the clonal derivation of cells with +7 was investigated by performing X chromosome inactivation analysis of independent trisomy 7-enriched cell populations from OA-patients. The results suggested a polyclonal origin of cells with +7, and this conclusion was, in the third study, indirectly supported by the scattered and wide distribution of trisomy 7-carrying cells in tissue sections from patients with pigmented villonodular synovitis, OA, and different forms of synovitis. These combined data challenge the notion that the finding of clonal chromosome aberrations should be regarded as evidence for a monoclonal cell proliferation, characteristic for neoplasia. The study also showed that cells with +7 in OA have a mesenchymal origin, which together with the previously reported findings of trisomic clones being derived from epithelial, myeloid or endothelial progenitors, settle that gain of trisomy 7 occurs in different cell types in different settings. A further observation was that the frequency of +7 seemed to increase with the pathological state of the tissue. However, the findings of the fourth study suggested that the incidence of +7, in both nonneoplastic synovia and the majority of solid tumors, might increase with age rather than being associated with particular diseases. In the fifth and the sixth studies, the tumor-associated gene HMGIC was found to be involved in some rearrangements of the 12q13-15 region in OA-affected tissues. Moreover, transcription and translation of this gene frequently occurred in synovia, but the expression was not associated with breakpoints of the 12q13-15 region. These findings point out that disruption of HMGIC, as well as expression of the gene, are not restricted to true neoplasms.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Cancer är på cellnivå en genetisk sjukdom, i det avseendet att typiska egenskaper för cancerceller, t ex okontrollerad celldelning samt abnorm känslighet för yttre regulatoriska signaler, uppkommer genom förvärvade och ibland ärftliga förändringar, s k mutationer, i cellens arvsmassa. Hur mutationerna uppstår är bara till viss del känt. Somliga förändringar beror på strålning eller orsakas av substanser i t ex tobaksrök och kemikalier, andra uppstår spontant när cellerna delar sig eller av påverkan från ämnen som cellerna själva producerar. Mutationerna kan vara ytterst små och bara drabba en liten del av arvsmassan eller omfatta stora förändringar, synliga med blotta ögat i mikroskop.



I cellkärnan finns merparten av cellens arvsmassa, DNA, och när cellen ska dela sig packas detta till stora strukturer, kromosomer. Varje kromosom innehåller ett mycket stort antal gener som kodar för olika proteiner. Antalet och formen på kromosomerna är specifikt för olika arter; människan har 22 olika kromosompar samt könskromosomerna X och Y. Genom att fånga celler i delning och färga dem kan man studera och klassificera kromosomerna efter form och färgningsmönster, d v s utföra en cytogenetisk analys. Denna metod har bl a utnyttjats för att karakterisera mutationsmönster hos cancerceller och därigenom har kromosomförändringar, i vissa fall sjukdomsspecifika, kunnat påvisas för de flesta typer av cancer. Kromosommutationer kan innebära att hela eller delar av en kromosom har gått förlorad/tillkommit eller att kromosomsegment har utbytts mellan olika kromosomer. För somliga kromosomavvikelser har även de gener som påverkas av förändringarna identifierats och deras roll i tumöruppkomst och tumörutveckling har kunnat belysas.



Till en början trodde man att fynd av en kromosomförändring var lika med svårartad - malign - form av tumörsjukdom. Emellertid har nyare cytogenetikstudier visat att förekomsten av kromosomförändringar inte är begränsat till cancer utan förekommer både hos patienter med sjukdomar som inte är cancerrelaterade samt hos friska individer. Kunskapen om dessa mutationers betydelse i normal vävnad är nästan obefintlig. Vad representerar avvikelserna? Är de tidiga markörer för cancer? Kan de orsaka/påverka förloppet av andra typer av sjukdomar? Eller är de tysta mutationer, d v s de inverkar inte på cellen i någon större utsträckning?



Förvärvandet av en extra kromosom 7 (trisomi 7) samt förändringar av ett specifikt område (12q13-15) på kromosom 12 är två av de vanligast förekommande kromosomavvikelserna i olika typer av tumörsjukdom. Dessutom har de har påträffats i ledvävnader från patienter med ledsjukdomar, framförallt osteoartros (OA). OA är en mycket vanlig sjukdom hos äldre människor och orsakar ledsmärta samt begränsad rörelseförmåga. Vid OA blir brosket uppmjukat, ojämnt och förtunnat och på vissa håll kan det försvinna helt. Omkringliggande synovia är ofta inflammerad och i svåra fall kan även det underliggande benet angripas. Det finns inga epidemiologiska indikationer på att OA är associerat med en ökad risk för cancer. Därför är det påfallande att en så hög andel (>90%) av de analyserade fallen av OA har trisomi 7, medan förändringar av 12q13-15 förekommer i mer beränsad utsträckning (6%). För att närmare karakterisera dessa mutationers roll i cancer samt i andra typer av sjukdomar har ledvävnad, främst synovia från patienter med OA, använts som modellsystem.



Genom att jämföra kromosomavvikelsemönstret i olika delar av ledvävnad från en och samma individ (tio patienter ingick i undersökningen), kunde vi i den första studien utesluta en tidigare föreslagen eventualitet, nämligen att dessa avvikelser inte existrerar in vivo utan uppkommer som en effekt av analysen. Resultaten indikerade även att celler med kromosomförändringar uppvisar stor spridning i ledvävnad från patienter med OA. Cancer antas ha ett monocellulärt, även kallat monoklonalt, ursprung. En enstaka muterad cell har genom delning expanderat till en stor grupp av cancerceller. Stöd för denna tes har hämtats från molekylära undersökningar vilka har påvisat att majoriteten tumörer är monoklonala. Vidare har i olika typer av cancer, främst leukemier samt vissa mjukdels- och skelettumörer, samma kromosomförändring påträffats i alla celler från samma fall. I den andra studien analyserades m h a molekylära tekniker om även celler med trisomi 7 i samma OA-drabbade vävnad har ett gemensamt ursprung. Undersökningen visade emellertid att trisomiska celler i OA i det avseendet skiljer sig från tumörceller.



Avgörande för att förstå en mutations cellulära påverkan är att identifiera i vilken slags cell den uppstår. Tidigare studier har påvisat trisomi 7 i vita blodkroppar samt i epiteliala celler, en celltyp som i huvudsak bygger upp huden och vissa organ som lever, pancreas, njure m m. I den tredje studien kunde vi genom att markera celler med en extra kromosom 7 i snitt av ledvävnad från patienter med olika ledsjukdomar identifiera dessa som makrofag- och fibroblastlika celler, celltyper som är vanliga i synovia och olika typer av mjukdelsvävnader. Dessa resultat visar att denna mutation inte är specifik för en sorts cell som finns spridd i hela kroppen utan kan uppstå i en rad olika celltyper. En fråga som återstår att besvara är huruvida effekten av mutationen är densamma för olika slags celler. Denna studie bekräftade även resultaten från den första studien, emedan trisomiska celler kunde demonstreras in vivo, samt indirekt den andra, såtillvida att trisomiska celler uppvisade en väldigt spridd fördelning i synovia .Vidare sågs vid jämförelse mellan olika ledsjukdomar frekvensen trisomi 7 i synovia öka med graden av sjukdomsassocierad förändring. Dessa fynd skulle kunna tyda på att förekomsten av trisomiska celler är intimt förknippat med sjukdom.



Fynden kompliceras emellertid av den fjärde studien. Resultat från cytogenetiska undersökningar av synovia från tio äldre individer utan tecken på ledsjukdomsassocierade förändringar samt nio barn/yngre vuxna med reumatism indikerade att trisomi 7 snarare är associerat med patientens ålder än med sjukdomen i sig. Liknande resultat erhölls vid analys av publicerade cytogenetiska data för åtta tumörtyper. Även om dessa fynd skulle kunna tolkas som att trisomi 7 inte har någon sjukdomsassocierad betydelse kan detta vara en alltför förhastad slutsats. För det första, tumörerna som ingick i studien delades in efter den vävnad där de påträffats och inte efter diagnos. Det är känt från bl a undersökningar av leukemier att cancerassocierade kromosomförändringar varierar med sjukdomens subtyp, och i sin tur att dessa subtyper är associerade med patientens ålder. För det andra visade frekvensen trisomi 7 i två tumörgrupper, tumörer i hjärna och sköldkörtel, ingen korrelation till patientens ålder.



Godartade tumörer med 12q13-15-förändringar uppvisar väldigt ofta mutationer i en gen, HMGIC, som är lokaliserad till denna kromosomregion. HMGIC kodar för ett protein som normalt uttrycks i fostervävnad och tros vara involverat i tillväxt och bildandet av fett. Med få undantag uttrycks denna gen inte i normal vävnad från vuxna individer och det är inte känt vilken funktion genen har efter fosterutvecklingen. Fynden av 12q13-15-avvikelser i synovia gjorde att vi ville undersöka om HMGIC var muterad även i OA. De femte och sjätte studierna visade att förändringar i detta kromosomsegment involverar HMGIC i en del fall av OA synovia, samt att genen uttrycks i OA-drabbad såväl som normal synovia. Dessa resultat demonstrerar att mutationer av HMGIC inte är specifika för tumörutveckling samt implicerar att denna gen kan ha en funktion även i normal adult ledvävnad.



Det är vid denna tidpunkt svårt att dra generella slutsatser utifrån resultaten av studierna som ligger till grund för avhandlingen. Trots den anmärkningsvärt höga frekvensen trisomi 7 och förändringar av kromosom 12 in vivo visar fynden att det inte finns en entydig verkan av kromosomavvikelserna för uppkomsten av ledsjukdomar eller cancer. Förståelsen av dessa mutationers eventuella effekt på celler, och i sin tur på sjukdomstillstånd, kräver ytterligare kompletterande studier.

• author: Broberg, Karin
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor van den Berghe, Herman
• organization: Division of Clinical Genetics
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Medical Genetics
• keywords: Clinical genetics, osteoarthritis, nonneoplastic, HMGIC, trisomy 7, FISH, Molecular genetics, cytogenetics, Klinisk genetik
• pages: 110 pages
• defense location: Lecture room 2, Lund University Hospital
• defense date: 2001-01-19 10:15:00
• ISBN: 91-628-4487-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 4b11dcaf-6cb5-471a-8f95-f534b537cf1a (old id 41211)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:36:07
• date last changed: 2023-08-17 13:16:52