Hereditary Nonpolyposis Colorectal Cancer - Molecular Genetics and Biology of Associated Tumors

Abstract

This thesis focuses on one of the most common types of hereditary cancer, hereditary nonpolyposis colorectal cancer (HNPCC). This syndrome is characterized by an autosomal dominant inheritance, an increased risk for several types of cancer (especially cancer of the colorectum, small bowel, endometrium, ovary and urinary tract), early age at diagnosis, and frequent development of multiple primary malignancies. HNPCC is caused by a germline mutation in one of several DNA mismatch-repair (MMR) genes.



In paper I, we screened 16 families with suspected HNPCC for germline MMR gene mutations and found a diverse spectrum of mutations, involving the MMR genes <i>MLH1, MSH2</i> and <i>MSH6</i>. A defective MMR is associated with microsatellite instability (MSI) in the tumor tissue and with somatic mutations in repeated sequences in several cancer-associated genes. In paper II, we studied the occurrence of such alterations in 24 tumors from 14 individuals in an HNPCC family with a germline <i>MSH2</i> mutation and found an extensive intra- and inter-individual variation. Paper III demonstrates intratumoral heterogeneity of repeat-mutations in 10 macroscopically different areas of a colon carcinoma in a patient with a germline <i>MLH1</i> mutation. The variation in the somatic mutations in repeat-containing genes suggests that these alterations are important for tumor progression rather than initiation and that the accumulation of mutations, rather than the specific alterations, drives HNPCC tumorigenesis.



MMR defects play a role also in the development of sporadic (non-hereditary) cancer and are found in about 15% of colon cancers. In paper IV, we investigated rectal cancer patients regarding a family history of cancer and MSI in the tumor tissue. Only 3/165 (2%) of the tumors had MSI and all 3 patients were found to carry germline HNPCC-causing mutations. We conclude that MSI is rare in rectal cancer, but, when present, strongly indicates HNPCC. In paper V, we studied MSI and immunohistochemical expression of the MMR proteins in small bowel adenocarcinomas and found MSI in 11/70 (16%) tumors, 7 of which showed loss of MMR expression. Defective MMR thus contributes to small bowel carcinogenesis in a fraction of the tumors similar to colon cancer. In paper VI, we studied a population-based series of women who developed the two most common cancer types in HNPCC, colorectal cancer and endometrial cancer, before age 50. MSI was demonstrated in 75% of the tumors and concordant loss of the same MMR protein in both tumors, suggesting an underlying MMR gene mutation, was found in 12/27 patients.



In summary, this thesis presents novel HNPCC-causing mutations, demonstrates variability among somatic mutations in repeat-containing genes in HNPCC-tumors, delineates the contribution of defective MMR in rectal cancer and small bowel cancer and points to a high risk of HNPCC among women with colorectal and endometrial cancer at young age.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Cancerförekomst i familjen är en riskfaktor för flera vanliga cancerformer. Såväl ärftlig (<i>hereditär</i>) som icke-ärftlig (<i>sporadisk</i>) cancer är resultatet av en ansamling av förändringar (<i>mutationer</i>) i gener vars normala funktion är att reglera cellernas delning, tillväxt och mognad. Vid ärftlig cancer finns den första erforderliga mutationen i kroppens alla celler från födseln, medan de genetiska förändringarna vid sporadisk cancer uppkommit endast i tumörcellerna (<i>somatiska mutationer</i>).



<i>HNPCC</i>



Syndromet <i>hereditär nonpolyposis kolorektal cancer (HNPCC)</i> betecknar inte (som namnet antyder) en viss cancerform, utan en ärftlig benägenhet att utveckla flera cancertyper, framför allt tjock- och ändtarmscancer (<i>kolorektal cancer</i>) samt livmodercancer, men även cancer i magsäck, tunntarm, äggstockar, urinvägar, hjärna och hud. HNPCC drabbar cirka en av tusen individer och är därigenom ett av de vanligaste ärftliga cancerpredisponerande tillstånd man känner till. Orsaken är en ärftlig mutation i någon av flera <i>DNA-reparationsgener</i>, vanligen <i>MLH1</i> eller <i>MSH2</i>. DNA-reparationsgenerna känner normalt igen och reparerar skador som uppstår i cellernas DNA och förhindrar därmed att somatiska mutationer består och ger upphov till cancer. Defekt DNA-reparation orsakar en genetisk instabilitet, som i sin tur leder till att somatiska mutationer lättare ansamlas och påskyndar cancerutvecklingen. Syndromet ärvs <i>dominant</i>, vilket innebär att barn och syskon till drabbade individer löper 50% risk att bära samma genetiska defekt.



<i>Vilka mutationer och gener är inblandade i sydsvenska HNPCC-familjer?</i>



I syfte att identifiera HNPCC-familjer och kartlägga ärftliga mutationer i södra Sverige studerade vi generna <i>MLH1</i> och <i>MSH2</i> i sexton familjer med misstänkt HNPCC. För att undersöka betydelsen av nya HNPCC-associerade gener, analyserade vi ytterligare en DNA-reparationsgen, <i>MSH6</i>, i vilken ärftliga mutationer tidigare endast hittats i två japanska familjer. Vi fann sju olika HNPCC-orsakande mutationer, spridda över de tre generna <i>MLH1, MSH2,</i> och <i>MSH6</i>. Även om <i>MSH6</i>-mutation är en mindre vanlig orsak till HNPCC är analys av <i>MSH6</i>-genen således av värde i familjer där man ej funnit någon mutation i <i>MLH1</i> eller <i>MSH2</i>.



<i>Hur vanligt är defekt DNA-reparation?</i>



Vi har undersökt betydelsen av defekt DNA-reparation för uppkomst av ändtarmscancer, tunntarmscancer samt hos patienter som utvecklat både livmodercancer och kolorektal cancer.



Sporadisk kolorektal cancer drabbar ändtarmen i en tredjedel av fallen medan HNPCC-tumörer mera sällan uppkommer där. För att studera DNA-reparationsgenernas roll i ändtarmscancer analyserade vi förekomsten av <i>mikrosatellitinstabilitet</i> och ärftlig mutation i <i>MLH1, MSH2</i> och <i>MSH6</i> i 165 ändtarmscancrar. Mikrosatellitinstabilitet uppkommer i tumörer med defekt DNA-reparation och innebär en förkortning av sekvenser som består av likadana DNA-byggstenar upprepade många gånger efter varandra. Sådana repeterade DNA-sekvenser (<i>mikrosatelliter</i>) drabbas ofta av den typ av skador som <i>MLH1, MSH2</i> och <i>MSH6</i> normalt reparerar. Vi fann att mikrosatellitinstabilitet i ändtarmstumörer är ovanligt (3/165) men starkt indikerar HNPCC-mutation, vilket påvisades hos alla de tre patienter som hade mikrosatellitinstabilitet i tumörerna.



Trots att individer med HNPCC löper en 100-faldigt ökad risk att drabbas av cancer i tunntarmen, utgör denna ovanliga cancerform endast en liten andel av HNPCC-tumörerna och är ofullständigt studerad. Vi undersökte 70 tunntarmscancrar avseende DNA-reparations-defekter och fann mikrosatellitinstabilitet och/eller förlust av MLH1 eller MSH2 i ungefär samma frekvens som i tjocktarmscancer (13/70). Detta tyder på en liknande roll för DNA-reparationsgenerna i tunntarmscancer och visar att analys av mikrosatellitinstabilitet är av värde vid misstanke om HNPCC-associerad tumör i tunntarmen.



Den vanligaste icke-kolorektala cancerformen vid HNPCC är livmodercancer. Kvinnor med HNPCC löper således hög risk att drabbas av både kolorektal cancer och livmodercancer. Från det svenska cancerregistret identifierade vi individer som utvecklat båda dessa cancerformer i ung ålder och undersökte tumörerna avseende mikrosatellitinstabilitet och förlust av MLH1, MSH2 och MSH6. Identisk förlust i båda tumörerna från samma individ är förenligt med ärftlig mutation i respektive DNA-reparationsgen och demonstrerades hos nästan hälften av dessa individer. Således finns det starka skäl att misstänka HNPCC hos patienter som drabbats av både livmodercancer och kolorektal cancer i ung ålder.



<i>Hur orsakar defekt DNA-reparation cancer?</i>



Den typ av skador som DNA-reparationsgenerna normalt reparerar drabbar främst repeterade DNA-sekvenser. Somatiska mutationer i gener som innehåller repeterade sekvenser och samtidigt har en cellreglerande funktion utgör en möjlig mekanism för tumöruppkomst vid defekt DNA-reparation. Vi undersökte mönstret av somatiska mutationer i olika sådana gener, dels i olika tumörer från en stor HNPCC-familj och dels i olika delar av en och samma HNPCC-tumör. Vi fann att dessa somatiska mutationer varierade både mellan olika tumörer med samma bakomliggande HNPCC-mutation och inom en och samma tumör. Denna variabilitet indikerar att ingen av de undersökta generna i sig är nödvändig för canceruppkomst utan att utvecklingen av en HNPCC-tumör snarare kräver en ansamling av ett flertal sådana mutationer.



Sammanfattningsvis har vi i dessa studier



· identifierat nya HNPCC-orsakande mutationer,



· kartlagt frekvensen defekt DNA-reparation i ändtarmscancer och tunntarmscancer,



· påvisat hög frekvens mikrosatellitinstabilitet och förlust av DNA-reparationsproteiner hos kvinnor som utvecklat både kolorektal cancer och livmodercancer



samt



· demonstrerat såväl intra- som intertumörheterogenitet av somatiska mutationer i cancerassocierade gener med repeterade sekvenser.



Studierna bidrar därmed till en ökad förståelse för hur defekt DNA-reparation orsakar cancer och hur HNPCC-orsakade tumörer utvecklas.

• author: Planck, Maria
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Lindblom, Annika, Department of Molecular Medicine, Karolinska Institute, Stockholm, Sweden
• organization: Breastcancer-genetics
• publishing date: 2002
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cancer and Oncology
• keywords: endometrial cancer, rectal cancer, colon cancer, mismatch repair protein expression, coding repeats, microsatellite instability, MSH6, MSH2, Hereditary nonpolyposis colorectal cancer, MLH1, small bowel cancer, Cytology, oncology, cancerology, Cytologi, onkologi, cancer
• pages: 132 pages
• defense location: The Lecture Hall, Department of Oncology, Lund University Hospital
• defense date: 2002-04-05 09:00:00
• ISBN: 91-628-5146-2
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Planck M, Koul A, Fernebro E, Borg Å, Kristoffersson U, Olsson H, Wenngren E, Mangell P and Nilbert M. hMLH1, hMSH2 and hMSH6 mutations in hereditary non-polyposis colorectal cancer families from southern Sweden.Int J Cancer 1999;83(2):197-202. Article: II. Planck M, Wenngren E, Borg Å, Olsson H and Nilbert M. Somatic frameshift alterations in mononucleotide repeat-containing genes in different tumor types from an HNPCC family with germline MSH2 mutation.Genes Chromosomes Cancer 2000;29:33-39. Article: III. Planck M, Halvarsson B, Pålsson E, Hallén M, Ekelund M, Pålsson B, Baldetorp B and Nilbert M. Cytogenetic aberrations and heterogeneity of mutations in repeat-containing genes in an HNPCC colon carcinoma.Cancer Genet Cytogenet 2002; in press. Article: IV. Nilbert M, Planck M, Fernebro E, Borg Å and Johnson A. Microsatellite instability is rare in rectal carcinomas and signifies hereditary cancer.Eur J Cancer 1999;35(6):942-945. Article: V. Planck M, Piotrowska Z, Halvarsson B, Rambech E, Ericson K and Nilbert M. Microsatellite instability and expression of MLH1 and MSH2 in small bowel adenocarcinomas.2002; submitted. Article: VI. Planck M, Rambech E, Möslein G, Müller W, Olsson H and Nilbert M. High frequency of microsatellite instability and loss of mismatch-repair protein expression in double primary cancers of the endometrium and colorectum.Cancer 2002; in press.
• id: bc22fb5c-c1a7-4844-a143-cea4c6122444 (old id 464423)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:23:01
• date last changed: 2018-11-21 21:04:29