Somatic Genetic Changes of BRCA1 and BRCA2 in Breast Cancer

Abstract

BRCA1- ja BRCA2-geenien hankitut muutokset rintasyövässä

Rintasyöpä johtuu solun DNA:han, perimäainekseen, kasautuvista virheistä, mutaatioista. Mutaatiot voivat olla periytyviä ituradan mutaatioita tai elämän aikana soluihin ilmaantuvia somaattisia mutaatioita. Noin 5-10 % rintasyövästä johtuu ituradan mutaatioista rintasyövälle altistavissa geeneissä, joista tärkeimmät ovat BRCA1 ja BRCA2. Väitöskirjan ensimmäisessä ja toisessa osatyössä selvitettiin BRCA1- ja BRCA2-geenien somaattisia inaktivaatiomekanismeja perinnöllisissä ja sporadisissa rintasyöpäkasvaimissa. Aiemmin julkaistujen tutkimusten tapaan BRCA1/2-geenien alueella havaittiin alleelliepätasapainoa (geenikopioiden suhteellisen määrän muutos syöpäkasvaimissa) lähes kaikissa tutkituissa perinnöllisissä rintasyövissä, mikä viittaa BRCA1/2-geenien kasvunestäjätoimintaan. Tutkimuksessa havaittiin myös, että samanaikainen BRCA1- ja BRCA2-geenien muutos oli yleisempää perinnöllisessä kuin sporadisessa rintasyövässä. Perinnöllisessä BRCA1-rintasyövässä BRCA1/2-geenien alleelliepätasapaino johtui fysikaalisten deleetioiden (geenikopioiden häviämä) lisäksi muistakin mekanismeista kuten esimerkiksi non-disjunktiosta tai somaattisesta rekombinaatiosta, kun taas sporadisessa rintasyövässä BRCA1/2-geenien alleelliepätasapaino liittyi pääasiassa deleetioihin. Tämä tulos viittaa siihen, että BRCA1-rintasyövissä spesifit mekanismit, kuten esimerkiksi sentrosomien lukumäärän säätely tai rekombinaatioon perustuva DNA:n virheiden korjaus, voivat olla viallisia. Perinnöllistä mutaatiota kantavan BRCA1-alleelin havaittiin esiintyvän useana kopiona monissa perinnöllisissä rintasyöpäkasvaimissa, mikä saattaa viitata mutaatioalleelin aktiiviseen toimintaan syöpäkasvaimen kehityksessä.

Kolmannessa osatyössä tutkittiin BRCA1-geenin mahdollista osuutta sporadisen rintasyövän synnyssä, vaikka tässä yhteydessä somaattisia inaktivoivia BRCA1 mutaatioita ei ole aiemmin kuvattu. Tutkimuksessa selvitettiin deleetioiden ja promoottorialueen hypermetylaation esiintymistä sekä näiden vaikutusta BRCA1-geenin ilmentymiseen. BRCA1-geenin deleetio havaittiin 45%:ssa sporadisista syöpäkasvaimista. BRCA1-geenin deletoituminen liittyi tilastollisesti merkitsevästi ERBB2 onkogeenin monistumaan, aneuploidiaan ja sekä normaalin että vaihtoehtoisen lähetti-RNA:n (delta11b) alentuneeseen ilmentymiseen. Osassa (11%) sporadisia rintasyöpiä havaittiin BRCA1-geenin promoottorialueen hypermetylaatio, joka myös liittyi tilastollisesti merkitsevästi alentuneeseen BRCA1-geenin lähetti-RNA:n määrään, mutta hypermetylaatio ja deleetiot eivät kasautuneet samoihin tapauksiin. Monimuuttuja-analyysissä BRCA1-geenin deletoituminen liittyi voimakkaimmin geeniekspression vaihteluun. Näiden tulosten perusteella voidaan ehdottaa, että BRCA1-geenin pääasiallinen inaktivaatiomekanismi sporadisessa rintasyövässä on deleetio, joka myös johtaa alentuneeseen geenin ilmentymiseen. Näin ollen ns. haplo-insuffisienssin kautta BRCA1-geenillä saattaa olla osuus myös sporadisen rintasyövän patogeneesissä.

Väitöskirjan neljännessä osatyössä valmistettiin ja karakterisoitiin pysyvä solulinja (L56Br-C1) hiiren xenograftikasvaimesta (L56Br-X1), joka on peräisin BRCA1-mutaationkantajan (1806C®T; Q563X) rintasyövän etäpesäkkeestä. Syto- ja molekyyligeneettiset analyysit sekä geeniekspressioprofilointi osoittivat, että L56Br-X1-xenograftikasvain ja L56Br-C1-solulinja muistuttavat yhä selvästi alkuperäistä primaarikasvainta. Tämän vuoksi L56Br-X1-xenograftikasvainta ja L56Br-C1-solulinjaa voidaan käyttää hyödyllisinä malleina tutkittaessa BRCA1-geenin funktiota ja BRCA1-geenimutaatioihin liittyvän rintasyövän patogeneesia ja hoitoa.

Väitöskirjatutkimuksen päälöydökset liittyvät BRCA1/2-geenien inaktivaatiomekanismien vertailuun perinnöllisessä ja sporadisessa rintasyövässä, sekä BRCA1-geenin ekspressioon vaikuttavien tekijöiden selvittämiseen sporadisessa rintasyövässä. Lisäksi väitöskirjassa karakterisoitu L56Br-C1-solulinja on vasta toinen julkaistu ituradan BRCA1-mutaation sisältävä solulinja, ja se on hyödyllinen malli BRCA1-geenifunktion jatkotutkimuksissa.

Somatic genetic re-arrangements of breast cancer susceptibility genes, BRCA1 and BRCA2, were investigated in hereditary and sporadic breast carcinomas using allelic imbalance (AI) analysis with microsatellite markers and fluorescence in situ hybridization (FISH). Quantitative real-time RT-PCR was used to study BRCA1 gene expression and its relation to somatic genetic re-arrangements and promoter hypermethylation in sporadic breast cancer. Experimental mouse xenograft (L56Br-X1) and cell line (L56Br-C1) models were established for future purposes of studying BRCA1 function and therapeutical aspects of BRCA1 tumors.

AI at BRCA1 and BRCA2 was detected in majority of breast tumors from germ-line BRCA1 and BRCA2 mutation carriers, respectively. Concomitant loss of BRCA1 and BRCA2 gene copies was more frequent in hereditary than sporadic breast cancers (71% vs. 29%). AI at BRCA1/2 loci in hereditary breast tumors from germ-line BRCA1 mutation carriers resulted not only from physical deletions but also from alternative mechanisms such as non-disjunction or somatic recombination, whereas AI at BRCA1/2 loci in sporadic tumors was predominantly due to physical deletions. Multiple copies of mutant BRCA1 alleles were detected in many hereditary BRCA1 tumors.

The BRCA1 gene had undergone physical deletion in 45% of the sporadic breast tumors studied. Physical deletion of the gene was associated with ERBB2 oncogene amplification, aneuploidy and decreased expression of both full-length BRCA1 and BRCA1-delta11b splice variant mRNA. Eleven percent of the sporadic breast carcinomas showed BRCA1 promoter hypermethylation, which associated with low levels of both full-length and BRCA1-delta11b mRNA, but not with BRCA1 deletions or any clinico-pathological feature of the tumors. In multiple regression analysis, the strongest determining factor for the full-length BRCA1 mRNA level was BRCA1 deletion, followed by negative progesterone receptor (PgR) status and BRCA1 promoter hypermethylation. These three factors explained ca. 45% of the total variation in BRCA1 gene expression. The expression levels of full-length BRCA1 and BRCA1-delta11b mRNA showed strong correlation with each other.

A mouse xenograft, L56Br-X1, was established from a breast cancer axillary node metastasis of a 53-year-old woman with a BRCA1 germ-line nonsense mutation (1806C®T; Gln563Stop), and subsequently a cell line (L56Br-C1) was derived from the xenograft. The L56Br-X1 xenograft carried only the mutant BRCA1 allele, and expressed mutant BRCA1 mRNA, but no BRCA1 protein. Cytogenetic analyses of the L56Br-X1 xenograft and L56Br-C1 cell line revealed complex karyotypes with numerous unbalanced translocations. Both L56Br-X1 xenograft and L56Br-C1 cell line showed the p53 somatic missense mutation (Ser215Ile) of the primary tumor, as well as a lack of detectable expression of ER, PgR, EGFR and ERBB2 by immunostaining. Gene expression profiling by cDNA microarrays supported the similarity of the expression profiles between the L56Br-X1 xenograft, L56Br-C1 cell line and primary tumor.

Our results support the role of the BRCA1/2 genes as tumor suppressors in hereditary breast cancer. Mechanisms alternative to deletions leading to AI in BRCA1 breast tumors suggest that specific pathways, such as recombinational repair, may be defective specifically in this tumor type. Multiple mutant BRCA1 alleles may reflect dominant negative function of certain BRCA1 mutants in tumor formation. The association of BRCA1 deletions with low levels of BRCA1 mRNA suggests that BRCA1 may be involved in sporadic breast cancer through haplo-insufficiency. BRCA1 was down-regulated in sporadic breast cancer tumors mainly by physical deletion and also by promoter hypermethylation in a small proportion of tumors. Multiple regression analysis indicated that almost half of the total variation in BRCA1 expression in sporadic breast cancer was due to BRCA1 gene copy number variation and promoter hypermethylation. The strong correlation between BRCA1 full-length and delta11b variant mRNA levels suggests that they may be co-expressed in sporadic breast carcinomas. L56Br-X1 xenograft and L56Br-C1 cell line derived from BRCA1 breast cancer did retain close resemblance to the primary tumor. Thus, they can be used as experimental model systems for future studies on BRCA1 function, pathogenesis and treatment of BRCA1 breast cancer.