Molecular Cytogenetics in Sporadic Breast Cancer

Abstract

In recent time breast cancer has become the most common form of female cancer in the western world. It has been estimated that the lifetime risk of women falling ill from the disease is 10%. The number of patients diagnosed each year has been increasing steadily since the 1970s. In 2002 the number of Swedish women diagnosed with breast cancer was 6,600, constituting every third female cancer diagnosed.Little is known about the order of appearance of different types of genetic aberrations, how they relate to each other, what their role is in the defining the clinical outcome of the patient, and which aberrations underlie therapy resistance.



A comparative study between cytogenetics and CGH was conducted in 29 invasive breast cancers (paper I). The differences seen in the comparison of cytogenetic and CGH karyotyping can best be explained by the difficulties of culturing breast carcinoma cells in vitro. The gains and losses found by CGH may represent the predominant (often aneuploid) clone, whereas the G-banding karyotypes represents minor abnormal, near-diploid cell clone(s), which, for unknown reasons, has a growth advantage in short term culture.



To explore the order of appearance of genetic aberrations in a direct manner, tumor cells from 21 non-diploid breast carcinomas were sorted for their DNA content by flow cytometry, and then analyzed separately by FISH (paper II). Data from these uncultured interphase cells showed that oncogene amplification, which is biologically and prognostically a very important genetic defect in breast cancer, takes place already before aneuploidization. The simultaneous presence of diploid and non-diploid malignant cells is also a clear indication of heterogeneity in the genetic composition of breast carcinoma.



In order to shed light on how copy number aberrations (CNA) patterns are composed, a CGH analysis of 305 breast cancer tumors was conducted (paper III). Two different statistical approaches were able to identify the exact same CNA pattern groups, indicating that the groups are true biological entities, rather than reflection of the statistical modeling technique used. These different groups were correlated to distinct clinicopathological features and patient prognosis, and could predict patient outcome just as well as the traditional prognostic factors.



In paper IV, characterization of the new and intrinsically Herceptin® resistant cell line JIMT-1, revealed an aberration pattern characteristic for aggressive breast cancers. Molecular cytogenetic techniques revealed numerous regions of CNA. Many of the genes in the aberrant regions are implicated in cancer development and drug/hormone metabolizing.



In conclusion, the results from the studies presented herein, indicate that the genetic aberrations of breast cancer are complex, and not detected by conventional cytogenetic techniques. Implementation of molecular cytogenetic techniques in a large breast cancer material, identified specific patterns of aberrations, and these patterns are linked to patient prognosis. Characterization of a Herceptin® resistant cell line by use of microarray techniques revealed amplification and upregulation of several genes that are linked to the promotion of breast cancer.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Bröstcancer är i dag den vanligaste cancerformen hos kvinnor i västvärlden. I Sverige insjuknar varje år drygt 6 600 kvinnor, och detta innebär att en av tio kvinnor kommer någon gång under sin livstid att utveckla bröstcancer. Antalet nydiagnostiserade fall av bröstcancer i Sverige har under de senare åren ökat, vilket bl.a. tros bero på den ökade medelåldern i befolkningen (risken för sjukdomen ökar med stigande ålder). Fem till tio procent av de diagnosticerade bröstcancerfallen är av ärftlig härkomst och resten är spontana, d.v.s. för majoriteten av fallen är orsaken okänd. Ca 70% av patienterna botas direkt genom lokal behandling så som kirurgi och regional strålbehandling. Resterande kommer med tiden att få återfall av sin sjukdom, varav många med dödlig utgång. Bröstcancer är en komplex sjukdom med åtskilliga avvikelser i arvsmassan (DNA), och dess genetiska bakgrund har studerats noggrant under många år. Trots detta är lite känt om när olika typer av förändringar uppkommer, hur de är relaterade till varandra, hur de är relaterade till patientprognos och vilka förändringar som orsakar behandlingsresistens. Studierna som presenteras i denna bok har utförts i syfte att klargöra dessa frågeställningar.



När detta avhandlingsarbete påbörjades var den vanligaste metoden för att studera hela arvsmassan i en enda analys den s.k. G-bandningskaryotyperingen. Metoden innebär att celler på laboratoriet odlas till metafas (då man i mikroskopet kan särskilja de kondenserade kromosomerna från varandra) och färgar in dessa med s.k. Giemsafärg. Varje kromosom får då ett eget specifikt bandningsmönster och på så sätt kan man avgöra om de celler man tittar på har normal arvsmassa eller inte. Vi har kunnat visa att denna metod inte är tillförlitlig vid studier i bröstcancer (arbete I), eftersom erfarenheter visar att bröstcancerceller är svåra att odla i laboratoriet. Den typ av genetiska förändringar som ofta förekommer i bröstcancer är dessutom mycket svåra att upptäcka med denna metod.



Genom att dela upp cellerna från en och samma tumör med avseende på om de har normal mängd DNA (diploida celler), eller kraftigt förändrad mängd DNA (non-diploida celler), kunde vi studera celltyperna var för sig. Vi jämförde antalet kopior av kända onkgener (gener i vilka man vet att förändringar kan orsaka cancer) i de diploida och non-diploida cellerna var för sig. En jämförelse häremellan visar att ökningen av antalet kopior (amplifiering) av onkgener inträffar tidigare än den mätbara förändringen av DNA mängden i en cancercell (arbete II).



I ett stort kliniskt bröstcancermaterial studerades mönster av genetiska förändringar som ofta förekommer tillsammans, i samma tumör (arbete III). Drygt 300 bröstcancerprover analyserades, och bland dessa kunde tydligt tre olika grupper av tumörer med speciella mönster av förändringar i arvsmassan urskiljas. Det visade sig ha stor betydelse för patienterna vilken av dessa tre grupper deras tumörtyp tillhörde. En av grupperna innebar för patienten ett ovanligt bra kliniskt förlopp efter operationen, oavsett om om de fått tilläggsbehandling (hormonbehandling eller cytostatika) eller inte. Kvinnor med tumörer tillhörande de andra grupperna hade sämre överlevnad. Den här metoden skulle kunna bli ett värdefullt komplement till de metoder vi idag använder för att avgöra vilken behandling en viss patient bör få.



Läkemedlet Herceptin® ges till patienter som har förhöjd halt av receptorer (mottagare) för en viss tillväxtfaktor på cellytan (ERBB2). Meningen är att läkemedlet ska binda till dessa receptorer och därmed hindra tillväxtfaktorerna från att sätta igång en celltillväxt. Behandlingen fungerar dock inte alltid. Arbete IV är en jämförande studie gjord på DNA från celler hos en patient som var resistent mot Herceptin®, d.v.s. inte blev hjälpt av behandlingen, med DNA normala celler. I cancercellerna hittades ett förhöjt antal kopior av vissa gener. Dessutom var dessa gener hos den resistenta patienten aktiva, och tillverkade proteiner i en mängd som inte normalt skulle finnas i cellen. Eftersom Herceptin® på sikt kan komma att bli godkänt inte bara vid spridd bröstcancer utan också som en alternativ tilläggsbehandling efter operation, så är detta en viktig ny kunskap. Denna kunskap kan komma att användas för styra behandlingen med Herceptin® till de kvinnor som kan bli hjälpta av denna behandling. I förlängningen kan kunskapen användas för att få bättre insikt i resistensproblematiken.

• author: Rennstam, Karin
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Lichter, Peter, Heidelberg, Germany
• organization: Breastcancer-genetics
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cancer and Oncology
• keywords: onkologi, oncology, Cytology, Cytologi, cancer, gene expression, gene amplification, tumor development, cDNA microarray, fluorescence in situ hybridization (FISH), breast cancer, comparative genomic hybridization (CGH), cancerology, ERBB2
• pages: 102 pages
• defense location: the Lecture hall at the Department of Oncology, Lund University Hospital
• defense date: 2004-04-30 10:15:00
• ISBN: 91-628-6056-9
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Karin Persson, Nikos Pandis, Fredrik Mertens, Åke Borg, Bo Baldetorp, Dick Killander and Jorma Isola. Chromosomal Aberrations in Breast Cancer: A comparison Between Cytogenetics and Comparative Genomic Hybridization. Genes Chromosomes Cancer. 1999 Jun; 25(2):115-122. Article: II. Karin Rennstam, Bo Baldetorp, Soili Kytölä, Minna Tanner and Jorma Isola. Chromosomal Re-arrangements and Oncogene Amplification Precede Aneuploidization in the Genetic Evolution of Breast Cancer. Cancer Res. 2001 Feb 1; 61(3):1214-1219. Article: III. Karin Rennstam, Minna Ahlstedt-Soini, Bo Baldetorp, Pär-Ola Bendahl, Åke Borg, Ritva Karhu, Minna Tanner, Mika Tirkkonen and Jorma Isola. Patterns of Chromosomal Imbalances Defines Subgroups of Breast Cancer with Distinct Clinical Features and Prognosis. A study of 305 tumors by comparative genomic hybridization. Cancer Res. 2003 Dec 15; 63(24):8861-8868. Article: IV. Karin Rennstam, Göran Jönsson, Minna Tanner, Pär-Ola Bendahl, Johan Staaf, Anita I Kappanen, Ritva Karhu, Bo Baldetorp, Åke Borg and Jorma Isola. Cytogenetic Characterization and Gene Expression Profiling of the Herceptin®-Resistant Breast Cancer Cell Line JIMT-1. Submitted to Cancer Res. 2004 Feb.
• id: f4566c23-51ec-43db-9ea3-cad5dd9af1e6 (old id 466860)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:26:00
• date last changed: 2018-11-21 20:58:44