Genomisk instabilitet og kreft

Sammendrag

Genomisk instabilitet er en økt tilbøyelighet til endringer i arvestoffet og forekommer i praktisk talt alle kreftformer, ofte allerede i forstadier. Den inndeles etter endringens størrelse i nukleotidinstabilitet, mikrosatellittinstabilitet og kromosomal instabilitet, der sistnevnte er vanligst og gir aneuploidi samt strukturelle avvik som translokasjoner, delesjoner og amplifiseringer. Underliggende mekanismer er først og fremst defekter i DNA-reparasjonen, bortfall av p53 og cellesyklusens kontrollpunkter samt feil ved kromosomsegregeringen. Strukturelle varianter kan skape fusjonsgener, for eksempel BCR::ABL1 ved kronisk myelogen leukemi, og katastrofale hendelser som kromotripsis kan på én gang gi omfattende rearrangementer og onkogenamplifisering. Instabiliteten driver klonal evolusjon, tumorheterogenitet og behandlingsresistens, men skaper også terapeutiske angrepspunkter, først og fremst PARP-hemmere ved defekt homolog rekombinasjon og immunsjekkpunkthemmere ved defekt mismatch-reparasjon.

Genomisk instabilitet og dens former

Genomisk instabilitet er en forbigående eller vedvarende tilstand med økt spontan mutasjonsfrekvens, noe som driver akkumulering av genetiske endringer, klonal evolusjon og tumorheterogenitet. Den betraktes som en evnefremmende egenskap som fremskynder ervervet av tumorens øvrige kjennetegn, og den forekommer i praktisk talt alle kreftformer, allerede i preneoplastiske forstadier [1].

Instabiliteten inndeles etter endringens størrelsesnivå i tre former [1]:

Kromosomal og mikrosatellittinstabilitet opptrer oftest gjensidig utelukkende: tumorer med defekt mismatch-reparasjon er som regel diploide, mens de med intakt reparasjon er aneuploide [1]. Fordi kromosomal instabilitet kan være episodisk, gjenspeiler et aneuploidt kromosomsett tidligere snarere enn nødvendigvis pågående instabilitet, og pågående instabilitet påvises sikrest med enkeltcelle- eller flerregionssekvensering [2]. Foreslåtte mekanismer bak instabiliteten omfatter en mutatorfenotype, onkogendrevet replikasjonsstress, telomerdysfunksjon og svikt i mitosens kontrollpunkter [1].

Defekter i DNA-reparasjon

Reparasjonsveiene

Genomet vedlikeholdes av flere reparasjonsveier med ulike substrater, og en defekt i én av dem kan gi en særskilt form for genomisk instabilitet eller en terapeutisk utnyttbar sårbarhet. Baseeksisjonsreparasjon utbedrer enkelttrådbrudd og skadede baser, der poly(ADP-ribose)-polymerase 1 (PARP1) fungerer som skadesensor [3]. Dobbelttrådbrudd repareres enten feilfritt ved homolog rekombinasjon, som krever et søsterkromatid i S- og G2-fase og involverer BRCA1 og BRCA2, eller ved den mer feilutsatte ikke-homologe endesammenføyningen; ytterligere feilutsatte veier er mikrohomologimediert endesammenføyning og single-strand annealing [4]. Mismatch-reparasjonen korrigerer feilparede baser under replikasjonen, og tap av MLH1, MSH2, MSH6 eller PMS2 gir mikrosatellittinstabilitet og en hypermutert fenotype, enten arvelig ved Lynchs syndrom eller sporadisk gjennom promotorhypermetylering av MLH1 [1,5]. Tumorsuppressoren p53 samordner flere av disse systemene og knytter DNA-skade sammen med cellesyklusstopp og apoptose [6].

Homolog rekombinasjon og BRCA1/2

BRCA1 og BRCA2 er sentrale for homolog rekombinasjon. Tap av deres funksjon, i germinal eller somatisk form eller som en bredere defekt i homolog rekombinasjon (HRD), gjør tumoren følsom for platinabasert cytostatika og PARP-hemmere ved blant annet bryst-, ovarial-, prostata- og pankreaskreft [3]. Graden av HRD kan estimeres med sammensatte genomiske mål, for eksempel tap av heterozygoti, telomer allelisk ubalanse og storskala tilstandsoverganger [3].

Kontrollpunkter i cellesyklusen og p53

Cellesyklusens kontrollpunkter overvåker at hver fase er korrekt avsluttet før den neste innledes, og stopper delingen når DNA er skadet eller kromosomene er feilaktig orientert. Bortfall av denne kontrollen er en sentral mekanisme bak genomisk instabilitet [6].

p53 og svaret på DNA-skade

Tumorsuppressoren p53 kalles genomets vokter og aktiveres ved genotoksisk stress for å styre DNA-reparasjon, cellesyklusstopp, senescens og apoptose [6]. Under normale forhold holdes p53-nivået lavt av E3-ligasen MDM2, som merker proteinet for proteasomal nedbrytning i en negativ tilbakekoblingssløyfe; ved DNA-skade stabiliseres p53 gjennom fosforylering som bryter interaksjonen med MDM2 [6]. Ved skade induserer p53 transkripsjon av p21, som hemmer syklin E/CDK2, holder retinoblastomproteinet hypofosforylert og dermed blokkerer E2F-drevet overgang fra G1- til S-fase; overgangen til mitose (G2/M) bremses via blant annet 14-3-3σ, som hemmer syklin B1/CDK1 [6]. Er skaden for omfattende til å repareres, driver p53 i stedet apoptose, gjennom den ytre veien via dødsreseptorer og den indre via de proapoptotiske genene BAX, PUMA og NOXA [6]. TP53 er mutert i en stor andel av humane tumorer, og tap av p53-funksjon tillater celler med skadet DNA å fortsette å dele seg, noe som øker toleransen for og akkumuleringen av genetiske avvik [6].

Kontrollpunkter ved kromosomsegregeringen

Før anafasen sikrer kontrollpunktet for delingsspindelen (spindle assembly checkpoint) at alle kinetokorer er korrekt festet til delingsspindelen før søsterkromatidene separeres. Mutasjoner i kontrollpunktets gener er imidlertid uvanlige i humane tumorer; en viktigere årsak til feilsegregering er merotelisk feste, der en kinetokor binder mikrotubuli fra begge spindelpolene og gir etterslepende kromosomer som unngår kontrollpunktet [2]. Også et overtallig antall sentrosomer og replikasjonsstress bidrar til kromosomal instabilitet [2]. Inaktiverende TP53-mutasjoner, som hører til de tidligste hendelsene i mange kreftformer, er knyttet til høyere grad av kromosomavvik, sannsynligvis gjennom økt toleranse for instabilitet [2].

Kromosomal instabilitet og aneuploidi

Aneuploidien er en tilstand, instabiliteten en pågående prosess

Solide tumorer inneholder vanligvis et avvikende antall kromosomer, en tilstand som betegnes aneuploidi. Tumorcellene viser ofte også strukturelle kromosomavvik, for eksempel translokasjoner, delesjoner og amplifiseringer. Disse numeriske og strukturelle endringene gjenspeiler en underliggende kromosomal instabilitet [2].

Begrepene må holdes atskilt. Aneuploidien beskriver det kromosomsettet som foreligger i en celle på et gitt tidspunkt, mens kromosomal instabilitet viser til en økt tilbøyelighet til å erverve, tape eller rearrangere kromosomer under celledelingen. En tumor kan derfor ha uttalt aneuploidi selv om sannsynligheten for et nytt kromosomavvik under hver enkelt cellesyklus bare er lett økt.

Den relativt lave endringstakten per cellesyklus innebærer at aneuploidien vanligvis bygges opp gjennom mange generasjoner av klonal ekspansjon. Tumorcellepopulasjonens uttalte kromosomavvik behøver dermed ikke å skyldes én enkelt ekstremt ustabil celledeling, men kan være sluttresultatet av gradvis akkumulerte feil.

Strukturelle kromosomendringer

Strukturelle kromosomendringer (strukturelle varianter) oppstår som regel ved dobbelttrådbrudd fulgt av feilaktig reparasjon eller sammenføyning av brutte kromosomer, og de utgjør en sentral kilde til somatiske mutasjoner i kreft [4]. De inndeles etter antallet bruddpunkter og rearrangeringsmønsteret i enkle og komplekse varianter [4].

De enkle variantene omfatter delesjoner, tandemduplikasjoner, inversjoner og translokasjoner, der delesjoner er vanligst og tandemduplikasjoner og ubalanserte translokasjoner følger nærmest [4]. En annen inndeling tar utgangspunkt i kopitallet: balanserte varianter som inversjoner og resiproke translokasjoner bevarer i hovedsak kopitallet, mens ubalanserte varianter som delesjoner, duplikasjoner og ikke-resiproke translokasjoner endrer det [2].

Strukturelle varianter driver tumorutvikling på flere måter. Et bruddpunkt kan føye to gener sammen til et fusjonsgen med ny funksjon, noe som først ble beskrevet for BCR::ABL1 ved kronisk myelogen leukemi og deretter for blant annet TMPRSS2::ERG ved prostatakreft og EML4::ALK ved lungeadenokarsinom [4]. Endringene kan også forstyrre den tredimensjonale kromatinorganiseringen og koble gener løs fra sine regulerende elementer eller flytte et onkogen inntil en fremmed forsterkersekvens, såkalt enhancer-kapring [4]. Hvilke rearrangementer som opptrer, styres delvis av kromosomenes romlige nærhet i cellekjernen, noe som bidrar til at tilbakevendende translokasjoner er vevsspesifikke [4].

Philadelphiakromosomet som modell

Det klassiske eksempelet på en sykdomsdefinerende translokasjon er Philadelphiakromosomet ved kronisk myelogen leukemi (KML). Det oppstår ved den balanserte resiproke translokasjonen t(9;22)(q34.1;q11.2), som føyer protoonkogenet ABL1 på kromosom 9 sammen med BCR på kromosom 22, og forekommer i over 90 % av klassiske KML-tilfeller [8]. Fusjonsgenet koder for en konstitutivt aktiv tyrosinkinase, hos mer enn 98 % av pasientene formen p210 BCR-ABL1 [8]. Eksempelet viser hvordan en avgrenset rearrangering kan skape et kvalitativt nytt genprodukt, til forskjell fra aneuploidiens endring av kromosomtallet.

BCR-ABL1 kan i seg selv fremme genetisk instabilitet og dermed erverv av ytterligere avvik. Ved progresjon til akselerert fase eller blastfase tilkommer blant annet dobbelt Philadelphiakromosom, trisomi 8, isokromosom 17, delesjon av 17p samt endringer i TP53, RB1, RUNX1 og p16 [8].

Kromotripsis og fokale genomendringer

Ved siden av den gradvise akkumuleringen av kromosomavvik forekommer plutselige, katastrofale hendelser som på én gang gir omfattende fokale genomendringer. De samles under betegnelsen kromoanagenese og omfatter kromotripsis, kromoanasyntese og kromopleksi [7].

Kromotripsis

Ved kromotripsis splittes et kromosom, eller avgrensede regioner av ett eller noen få kromosomer, i fragmenter som settes sammen igjen tilnærmet tilfeldig ved én enkelt hendelse [2]. Fenomenet skilles fra andre rearrangementer ved flere kriterier: en høy tetthet av bruddpunkter innenfor et kort genomisk intervall, at endringene er begrenset til ett allel, og et karakteristisk oscillerende kopitall mellom to nivåer med vekselvis bevart og tapt heterozygoti [2]. Prosessen oppstår blant annet når et etterslepende kromosom innesluttes i en mikrokjerne hvis membran kollapser, slik at DNA-et eksponeres for skade og fragmentering, eller ved brudd på disentriske kromosomer under sykluser av brudd, fusjon og brodannelse [2]. Kromotripsis tilsvarer en forbigående periode med ekstrem kromosomal instabilitet, til forskjell fra den gradvise økningen, tapet og rearrangeringen av kromosomer gjennom mange generasjoner av kreftceller [2].

Tidlige estimater bygde på kopitallsdata med lav oppløsning og angav kromotripsis i noen få prosent av alle kreftformer. Helgenomsekvensering av i overkant av 2 500 tumorer fra 38 krefttyper påviste sikker kromotripsis i 29 % av prøvene, med høyest andel i liposarkom (100 %) og osteosarkom (77 %) [10]. Kromotripsis bidrar til amplifisering av onkogener og til inaktivering av gener, blant annet gener for mismatch-reparasjon [10], og forekomsten er knyttet til dårligere prognose i flere tumortyper [2,7].

Kromopleksi og komplekse amplifiseringer

Kromopleksi består av sammenlenkede kjeder av rearrangementer, oftest translokasjoner mellom flere kromosomer, med liten samtidig endring av kopitallet; mønsteret er særlig vanlig ved prostatakreft, der det ofte genererer fusjonen TMPRSS2::ERG [2]. Sykluser av brudd, fusjon og brodannelse innledes med at to søsterkromatider fusjoneres til et disentrisk kromosom som brister i påfølgende anafase, noe som gir gjentatte brudd og en gradvis, høy amplifisering av gener som ERBB2, CCND1 og MET [2].

Ekstrakromosomalt DNA

Amplifiserte onkogener bæres ofte av ekstrakromosomalt DNA (ecDNA), sirkulære DNA-elementer på omkring 100 kilobaser opp til flere megabaser som mangler sentromer og telomer [2]. Fordi de mangler sentromer, fordeles de ujevnt ved celledelingen, noe som raskt kan øke kopitallet og øke den intratumorale heterogeniteten. ecDNA gir høye transkripsjonsnivåer, er knyttet til dårligere prognose og bidrar til behandlingsresistens, for eksempel ved at glioblastomceller senker kopitallet av mutert EGFR under behandling med tyrosinkinasehemmere og gjenoppretter det når legemidlet seponeres [2].

Terapeutiske muligheter ved genomisk instabilitet

Genomisk instabilitet skaper også terapeutiske angrepspunkter, fordi en reparasjonsdefekt kan gjøre tumorcellen avhengig av en gjenværende vei som normale celler klarer seg uten.

Syntetisk letalitet og PARP-hemmere

Syntetisk letalitet innebærer at samtidig tap av to funksjoner dreper cellen, mens tap av én av dem alene er forenlig med overlevelse [3]. Prinsippet ble først utnyttet klinisk med PARP-hemmere ved BRCA1- eller BRCA2-muterte tumorer: når homolog rekombinasjon er slått ut, blir cellen avhengig av PARP-mediert enkelttrådreparasjon, og hemming av PARP fører da til kollaps av replikasjonsgaffelen og celledød [3]. Olaparib ble i 2014 den første godkjente PARP-hemmeren, fulgt av rukaparib, niraparib og talazoparib, med indikasjoner som er utvidet fra ovarialkreft til blant annet bryst-, prostata- og pankreaskreft [3]. Konseptet er utvidet til andre genpar, for eksempel syntetisk letalitet mellom hemming av Werner-helikasen (WRN) og defekt mismatch-reparasjon med mikrosatellittinstabilitet [3].

Immunterapi ved defekt mismatch-reparasjon

Tumorer med defekt mismatch-reparasjon og høy mikrosatellittinstabilitet (dMMR/MSI-H) akkumulerer mange rammeforskyvende mutasjoner, hvis produkter danner neoantigener og gir en høy mutasjonsbyrde som gjør tumoren særlig følsom for immunsjekkpunkthemmere [5]. I studien KEYNOTE-016 ga pembrolizumab en objektiv responsrate på cirka 40 % ved dMMR mot 0 % ved intakt reparasjon, noe som lå til grunn for en vevsuavhengig godkjenningsindikasjon [5]. I den randomiserte KEYNOTE-177 ga pembrolizumab i første linje ved metastatisk dMMR/MSI-H kolorektalkreft en lengre progresjonsfri overlevelse enn cytostatika, 16,5 mot 8,2 måneder [5].

Andre angrepspunkter

Også andre følger av instabiliteten kan angripes terapeutisk. Fusjonsprodukter fra translokasjoner kan være direkte mål, som når tyrosinkinasehemmere hemmer BCR-ABL1 ved KML; den klinisk viktigste resistensmekanismen er da mutasjoner i kinasedomenet til ABL1, for eksempel T315I [9]. Ekstrakromosomalt DNA bidrar til behandlingsresistens og er gjenstand for utvikling av målrettede strategier [2], og farmakologisk reaktivering av p53 ved hemming av MDM2 prøves ut i tumorer med bevart villtype-p53 [6]. Et påvist genetisk avvik er imidlertid ikke i seg selv det samme som et behandlingsbart mål; verdien avgjøres av om et validert legemiddel eller en prediktiv markør er knyttet til funnet [5].

Kilder

1. Pikor L, Thu K, Vucic E, et al. The detection and implication of genome instability in cancer. Cancer Metastasis Rev 2013. PMID: 23633034
2. Baker TM, Waise S, Tarabichi M, et al. Aneuploidy and complex genomic rearrangements in cancer evolution. Nat Cancer 2024. PMID: 38286829
3. Gong X, Liu C, Tang H, et al. 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, et al. 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, et al. European LeukemiaNet 2020 recommendations for treating chronic myeloid leukemia. Leukemia 2020. PMID: 32127639
10. Cortés-Ciriano I, Lee JJ, Xi R, et al. Comprehensive analysis of chromothripsis in 2,658 human cancers using whole-genome sequencing. Nat Genet 2020. PMID: 32025003