Genomisk instabilitet och cancer

Sammanfattning

Genomisk instabilitet är en förhöjd benägenhet för förändringar i arvsmassan och förekommer i praktiskt taget alla cancerformer, ofta redan i förstadier. Den indelas efter förändringens storlek i nukleotidinstabilitet, mikrosatellitinstabilitet och kromosomal instabilitet, där den sistnämnda är vanligast och ger aneuploidi samt strukturella avvikelser som translokationer, deletioner och amplifieringar. Bakomliggande mekanismer är främst defekter i DNA-reparationen, bortfall av p53 och cellcykelns kontrollpunkter samt fel vid kromosomsegregeringen. Strukturella varianter kan skapa fusionsgener, exempelvis BCR::ABL1 vid kronisk myeloisk leukemi, och katastrofala händelser som kromotripsis kan på en gång ge omfattande omarrangemang och onkogenamplifiering. Instabiliteten driver klonal evolution, tumörheterogenitet och behandlingsresistens, men skapar också terapeutiska angreppspunkter, främst PARP-hämmare vid defekt homolog rekombination och immuncheckpointhämmare vid defekt mismatch-reparation.

Genomisk instabilitet och dess former

Genomisk instabilitet är ett övergående eller bestående tillstånd med förhöjd spontan mutationsfrekvens, vilket driver ackumulering av genetiska förändringar, klonal evolution och tumörheterogenitet. Den betraktas som en förmågehöjande egenskap som påskyndar förvärvet av tumörens övriga kännetecken och förekommer i praktiskt taget alla cancerformer, redan i preneoplastiska förstadier [1].

Instabiliteten indelas efter förändringens storleksnivå i tre former [1]:

Kromosomal och mikrosatellitinstabilitet uppträder oftast ömsesidigt uteslutande: tumörer med defekt mismatch-reparation är i regel diploida, medan de med intakt reparation är aneuploida [1]. Eftersom kromosomal instabilitet kan vara episodisk återspeglar en aneuploid kromosomuppsättning tidigare snarare än nödvändigtvis pågående instabilitet, och pågående instabilitet påvisas säkrast med enkelcells- eller flerregionssekvensering [2]. Föreslagna mekanismer bakom instabiliteten omfattar en mutatorfenotyp, onkogendriven replikationsstress, telomerdysfunktion och brist i mitosens kontrollpunkter [1].

Defekter i DNA-reparation

Reparationsvägarna

Genomet underhålls av flera reparationsvägar med olika substrat, och en defekt i en av dem kan ge en särskild form av genomisk instabilitet eller en terapeutiskt utnyttjbar sårbarhet. Basexcisionsreparation åtgärdar enkelsträngsbrott och skadade baser, där poly(ADP-ribos)-polymeras 1 (PARP1) fungerar som skadesensor [3]. Dubbelsträngsbrott repareras antingen felfritt genom homolog rekombination, som kräver en systerkromatid i S- och G2-fas och engagerar BRCA1 och BRCA2, eller genom den mer felbenägna icke-homologa ändsammanfogningen; ytterligare felbenägna vägar är mikrohomologimedierad ändsammanfogning och single-strand annealing [4]. Mismatch-reparationen korrigerar felparade baser under replikationen, och förlust av MLH1, MSH2, MSH6 eller PMS2 ger mikrosatellitinstabilitet och en hypermuterad fenotyp, antingen ärftligt vid Lynchs syndrom eller sporadiskt genom promotorhypermetylering av MLH1 [1,5]. Tumörsuppressorn p53 samordnar flera av dessa system och länkar samman DNA-skada med cellcykelstopp och apoptos [6].

Homolog rekombination och BRCA1/2

BRCA1 och BRCA2 är centrala för homolog rekombination. Förlust av deras funktion, i germinal eller somatisk form eller som en bredare defekt i homolog rekombination (HRD), gör tumören känslig för platinabaserad cytostatika och PARP-hämmare vid bland annat bröst-, ovarial-, prostata- och pankreascancer [3]. Graden av HRD kan skattas med sammansatta genomiska mått, exempelvis förlust av heterozygoti, telomer allelisk obalans och storskaliga tillståndsövergångar [3].

Kontrollpunkter i cellcykeln och p53

Cellcykelns kontrollpunkter övervakar att varje fas är korrekt avslutad innan nästa inleds och stoppar delningen när DNA är skadat eller kromosomerna felaktigt orienterade. Bortfall av denna kontroll är en central mekanism bakom genomisk instabilitet [6].

p53 och svaret på DNA-skada

Tumörsuppressorn p53 kallas genomets väktare och aktiveras vid genotoxisk stress för att styra DNA-reparation, cellcykelstopp, senescens och apoptos [6]. Under normala förhållanden hålls p53-nivån låg av E3-ligaset MDM2, som märker proteinet för proteasomal nedbrytning i en negativ återkopplingsslinga; vid DNA-skada stabiliseras p53 genom fosforylering som bryter interaktionen med MDM2 [6]. Vid skada inducerar p53 transkription av p21, som hämmar cyklin E/CDK2, håller retinoblastomproteinet hypofosforylerat och därmed blockerar E2F-driven övergång från G1- till S-fas; övergången till mitos (G2/M) bromsas via bland annat 14-3-3σ som hämmar cyklin B1/CDK1 [6]. Är skadan för omfattande för att repareras driver p53 i stället apoptos, genom den yttre vägen via dödsreceptorer och den inre via de proapoptotiska generna BAX, PUMA och NOXA [6]. TP53 är muterad i en stor andel humana tumörer, och förlust av p53-funktion tillåter celler med skadat DNA att fortsätta dela sig, vilket ökar toleransen för och ackumuleringen av genetiska avvikelser [6].

Kontrollpunkter vid kromosomsegregeringen

Inför anafas säkerställer kontrollpunkten för delningsspolen (spindle assembly checkpoint) att alla kinetokorer är korrekt fästa vid delningsspolen innan systerkromatiderna separeras. Mutationer i kontrollpunktens gener är dock ovanliga i humana tumörer; en viktigare orsak till felsegregering är merotelisk fästning, där en kinetokor binder mikrotubuli från båda spolpolerna och ger eftersläpande kromosomer som undgår kontrollpunkten [2]. Även övertaligt antal centrosomer och replikationsstress bidrar till kromosomal instabilitet [2]. Inaktiverande TP53-mutationer, som hör till de tidigaste händelserna i många cancerformer, är kopplade till högre grad av kromosomavvikelser, sannolikt genom ökad tolerans för instabilitet [2].

Kromosomal instabilitet och aneuploidi

Aneuploidin är ett tillstånd, instabiliteten en pågående process

Solida tumörer innehåller vanligen ett avvikande antal kromosomer, ett tillstånd som benämns aneuploidi. Tumörcellerna uppvisar ofta även strukturella kromosomavvikelser, exempelvis translokationer, deletioner och amplifieringar. Dessa numeriska och strukturella förändringar speglar en bakomliggande kromosomal instabilitet [2].

Begreppen måste hållas isär. Aneuploidin beskriver den kromosomuppsättning som föreligger i en cell vid en viss tidpunkt, medan kromosomal instabilitet avser en ökad benägenhet att erhålla, förlora eller omarrangera kromosomer under celldelningen. En tumör kan därför ha uttalad aneuploidi trots att sannolikheten för en ny kromosomavvikelse under varje enskild cellcykel bara är lätt förhöjd.

Den relativt låga förändringstakten per cellcykel innebär att aneuploidin vanligen byggs upp under många generationer av klonal expansion. Tumörcellspopulationens uttalade kromosomavvikelser behöver således inte bero på en extremt instabil enskild celldelning, utan kan vara slutresultatet av successivt ackumulerade fel.

Strukturella kromosomförändringar

Strukturella kromosomförändringar (strukturella varianter) uppkommer i regel genom dubbelsträngsbrott följda av felaktig reparation eller sammanfogning av brutna kromosomer, och de utgör en central källa till somatiska mutationer i cancer [4]. De indelas efter antalet brytpunkter och omarrangeringsmönstret i enkla och komplexa varianter [4].

De enkla varianterna omfattar deletioner, tandemduplikationer, inversioner och translokationer, där deletioner är vanligast och tandemduplikationer och obalanserade translokationer följer närmast [4]. En annan indelning utgår från kopietalet: balanserade varianter som inversioner och reciproka translokationer bevarar i stort sett kopietalet, medan obalanserade varianter som deletioner, duplikationer och icke-reciproka translokationer förändrar det [2].

Strukturella varianter driver tumörutveckling på flera sätt. En brytpunkt kan sammanfoga två gener till en fusionsgen med ny funktion, vilket först beskrevs för BCR::ABL1 vid kronisk myeloisk leukemi och sedan för bland annat TMPRSS2::ERG vid prostatacancer och EML4::ALK vid lungadenocarcinom [4]. Förändringarna kan också störa den tredimensionella kromatinorganisationen och koppla loss gener från sina reglerande element eller flytta en onkogen intill en främmande förstärkarsekvens, så kallad enhancer-kapning [4]. Vilka omarrangemang som uppträder styrs delvis av kromosomernas rumsliga närhet i cellkärnan, vilket bidrar till att återkommande translokationer är vävnadsspecifika [4].

Philadelphiakromosomen som modell

Det klassiska exemplet på en sjukdomsdefinierande translokation är Philadelphiakromosomen vid kronisk myeloisk leukemi (KML). Den uppkommer genom den balanserade reciproka translokationen t(9;22)(q34.1;q11.2), som sammanfogar protoonkogenen ABL1 på kromosom 9 med BCR på kromosom 22, och förekommer i över 90 % av klassiska KML-fall [8]. Fusionsgenen kodar för ett konstitutivt aktivt tyrosinkinas, hos mer än 98 % av patienterna formen p210 BCR-ABL1 [8]. Exemplet visar hur en avgränsad omarrangering kan skapa en kvalitativt ny genprodukt, till skillnad från aneuploidins förändring av kromosomantalet.

BCR-ABL1 kan i sig främja genetisk instabilitet och därmed förvärv av ytterligare avvikelser. Vid progression till accelererad fas eller blastfas tillkommer bland annat dubbel Philadelphiakromosom, trisomi 8, isokromosom 17, deletion av 17p samt förändringar i TP53, RB1, RUNX1 och p16 [8].

Kromotripsis och fokala genomförändringar

Vid sidan av den gradvisa ackumuleringen av kromosomavvikelser förekommer plötsliga, katastrofala händelser som på en gång ger omfattande fokala genomförändringar. De sammanfattas som kromoanagenes och omfattar kromotripsis, kromoanasyntes och kromoplexi [7].

Kromotripsis

Vid kromotripsis splittras en kromosom, eller avgränsade regioner av en eller några kromosomer, i fragment som återfogas nära nog slumpmässigt vid en enda händelse [2]. Fenomenet skiljs från andra omarrangemang genom flera kriterier: en hög täthet av brytpunkter inom ett kort genomiskt intervall, att förändringarna är begränsade till en allel, och ett karakteristiskt oscillerande kopietal mellan två nivåer med omväxlande bevarad och förlorad heterozygoti [2]. Processen uppkommer bland annat när en eftersläpande kromosom innesluts i en mikrokärna vars hölje kollapsar, så att DNA:t exponeras för skada och fragmentering, eller genom brott på dicentriska kromosomer under cykler av brott, fusion och bryggbildning [2]. Kromotripsis motsvarar en övergående period av extrem kromosomal instabilitet, till skillnad från den gradvisa ökningen, förlusten och omarrangeringen av kromosomer under många generationer av cancerceller [2].

Tidiga skattningar byggde på kopietalsdata med låg upplösning och angav kromotripsis i några procent av alla cancrar. Helgenomsekvensering av drygt 2 500 tumörer från 38 cancertyper påvisade säker kromotripsis i 29 % av proverna, med högst andel i liposarkom (100 %) och osteosarkom (77 %) [10]. Kromotripsis bidrar till amplifiering av onkogener och till inaktivering av gener, bland annat gener för mismatch-reparation [10], och närvaron är kopplad till sämre prognos i flera tumörtyper [2,7].

Kromoplexi och komplexa amplifieringar

Kromoplexi utgörs av sammanlänkade kedjor av omarrangemang, oftast translokationer mellan flera kromosomer, med liten samtidig förändring av kopietalet; mönstret är särskilt vanligt vid prostatacancer där det ofta genererar fusionen TMPRSS2::ERG [2]. Cykler av brott, fusion och bryggbildning inleds med att två systerkromatider fusioneras till en dicentrisk kromosom som brister i efterföljande anafas, vilket ger upprepade brott och en successiv, hög amplifiering av gener som ERBB2, CCND1 och MET [2].

Extrakromosomalt DNA

Amplifierade onkogener bärs ofta av extrakromosomalt DNA (ecDNA), cirkulära DNA-element på omkring 100 kilobaser upp till flera megabaser som saknar centromer och telomer [2]. Eftersom de saknar centromer fördelas de ojämnt vid celldelningen, vilket snabbt kan höja kopietalet och öka den intratumorala heterogeniteten. ecDNA ger höga transkriptionsnivåer, är kopplat till sämre prognos och bidrar till behandlingsresistens, exempelvis genom att glioblastomceller sänker kopietalet av muterad EGFR under behandling med tyrosinkinashämmare och återställer det när läkemedlet sätts ut [2].

Terapeutiska möjligheter vid genomisk instabilitet

Genomisk instabilitet skapar också terapeutiska angreppspunkter, eftersom en reparationsdefekt kan göra tumörcellen beroende av en kvarvarande väg som normala celler klarar sig utan.

Syntetisk letalitet och PARP-hämmare

Syntetisk letalitet innebär att samtidig förlust av två funktioner dödar cellen, medan förlust av endera ensam är förenlig med överlevnad [3]. Principen utnyttjades först kliniskt med PARP-hämmare vid BRCA1- eller BRCA2-muterade tumörer: när homolog rekombination är utslagen blir cellen beroende av PARP-medierad enkelsträngsreparation, och hämning av PARP leder då till kollaps av replikationsgaffeln och celldöd [3]. Olaparib blev 2014 den första godkända PARP-hämmaren, följd av rukaparib, niraparib och talazoparib, med indikationer som vidgats från ovarialcancer till bland annat bröst-, prostata- och pankreascancer [3]. Konceptet har utvidgats till andra genpar, exempelvis syntetisk letalitet mellan hämning av Werner-helikaset (WRN) och defekt mismatch-reparation med mikrosatellitinstabilitet [3].

Immunterapi vid defekt mismatch-reparation

Tumörer med defekt mismatch-reparation och hög mikrosatellitinstabilitet (dMMR/MSI-H) ackumulerar många ramförskjutande mutationer, vars produkter bildar neoantigener och ger en hög mutationsbörda som gör tumören särskilt känslig för immuncheckpointhämmare [5]. I studien KEYNOTE-016 gav pembrolizumab en objektiv responsfrekvens på cirka 40 % vid dMMR mot 0 % vid intakt reparation, vilket låg till grund för en vävnadsoberoende godkännandeindikation [5]. I den randomiserade KEYNOTE-177 gav pembrolizumab i första linjen vid metastaserad dMMR/MSI-H kolorektalcancer en längre progressionsfri överlevnad än cytostatika, 16,5 mot 8,2 månader [5].

Övriga angreppspunkter

Även andra följder av instabiliteten kan riktas terapeutiskt. Fusionsprodukter från translokationer kan vara direkta måltavlor, som när tyrosinkinashämmare hämmar BCR-ABL1 vid KML; den kliniskt viktigaste resistensmekanismen är då mutationer i ABL1:s kinasdomän, exempelvis T315I [9]. Extrakromosomalt DNA bidrar till behandlingsresistens och är föremål för utveckling av riktade strategier [2], och farmakologisk återaktivering av p53 genom hämning av MDM2 prövas i tumörer med bibehållen vildtyps-p53 [6]. En påvisad genetisk avvikelse är dock inte i sig liktydig med en behandlingsbar måltavla; värdet avgörs av om ett validerat läkemedel eller en prediktiv markör är kopplad till fyndet [5].

Källor

1. Pikor L, Thu K, Vucic E, m.fl. The detection and implication of genome instability in cancer. Cancer Metastasis Rev 2013. PMID: 23633034
2. Baker TM, Waise S, Tarabichi M, m.fl. Aneuploidy and complex genomic rearrangements in cancer evolution. Nat Cancer 2024. PMID: 38286829
3. Gong X, Liu C, Tang H, m.fl. Application and research progress of synthetic lethality in the development of anticancer therapeutic drugs. Front Oncol 2024. PMID: 39655075
4. Wang WJ, Li LY, Cui JW. Chromosome structural variation in tumorigenesis: mechanisms of formation and carcinogenesis. Epigenetics Chromatin 2020. PMID: 33168103
5. Choucair K, Radford M, Bansal A, m.fl. Advances in immune therapies for the treatment of microsatellite instability-high/deficient mismatch repair metastatic colorectal cancer. Int J Oncol 2021. PMID: 34396449
6. Marvalim C, Datta A, Lee SC. Role of p53 in breast cancer progression: An insight into p53 targeted therapy. Theranostics 2023. PMID: 36923534
7. Pellestor F. Chromoanagenesis: cataclysms behind complex chromosomal rearrangements. Mol Cytogenet 2019. PMID: 30805029
8. Fernandes A, Shanmuganathan N, Branford S. Genomic Mechanisms Influencing Outcome in Chronic Myeloid Leukemia. Cancers (Basel) 2022. PMID: 35158889
9. Hochhaus A, Baccarani M, Silver RT, m.fl. European LeukemiaNet 2020 recommendations for treating chronic myeloid leukemia. Leukemia 2020. PMID: 32127639
10. Cortés-Ciriano I, Lee JJ, Xi R, m.fl. Comprehensive analysis of chromothripsis in 2,658 human cancers using whole-genome sequencing. Nat Genet 2020. PMID: 32025003