The Role of Genes on Chromosome Locus 4q12 in Human Central Nervous System Tumors

Human central nervous system (CNS) tumors are a heterogeneous group of tumors occurring in brain, brainstem and spinal cord. Malignant gliomas (astrocytic and oligodendroglial tumors), which arise from the neuroepithelial cells are the most common CNS neoplasms in human. Malignant gliomas are highly aggressive and invasive tumors, and have a very poor prognosis. The development and progression of gliomas involve a stepwise accumulation of genetic alterations that generally affect either signal transduction pathways activated by receptor tyrosine kinases (RTKs), or cell cycle arrest pathways. Constitutive activation or deregulated signaling by RTKs is caused by gene amplification, overexpression or mutations. The aberrant RTK signaling results in turn in the activation of several downstream pathways, which ultimately lead to malignant transformation and tumor proliferation. Many genetic abnormalities implicated in nervous system tumors involve the genes located at the chromosomal region 4q12. This locus harbors the receptor tyrosine kinases KIT, PDGFRA and VEGFR2, and other genes (REST, LNX1) with neural function. Gene amplification and protein expression of KIT, PDGFRA, and VEGFR2 was studied using clinical tumor material. REST and LNX1, as well as NUMBL, the interaction partner of LNX1, were studied for their gene mutations and amplifications. In our studies, amplification of LNX1 was associated with KIT and PDGFRA amplification in glioblastomas, and coamplification of KIT, PDGFRA and VEGFR2 was detected in medulloblastomas and CNS primitive neuroectodermal tumors. PDGFRA amplification was also correlated with poor overall survival. Coamplification of KIT, PDGFRA and VEGFR2 was observed in a subset of human astrocytic and oligodendroglial tumors. We suggest that genes at 4q12 could be a part of a larger amplified region, which is deregulated in gliomas, and could be used as a prognostic marker of tumorigenic process. The signaling pathways activated due to gene amplifications, activating gene mutations, and overexpressed proteins may be useful as therapeutic targets for glioma treatment. This study also includes the characterization of KIT overexpressing astrocytes, analyzed by various in vitro functional assays. Our results show that overexpression of KIT in mouse astrocytes promotes cell proliferation and anchorage-independent growth, as well as phenotypic changes in the cells. Furthermore, the increased proliferation is partly inhibited by imatinib, a small molecule inhibitor of KIT. These results suggest that KIT may play a role in astrocyte growth regulation, and might have an oncogenic role in brain tumorigenesis. Elucidation of the altered signaling pathways due to specific gene amplifications, activating gene mutations, and overexpressed proteins may be useful as therapeutic targets for glioma treatment.

Geneettiset muutokset, kuten mutaatiot ja geenien kopioluvun muutokset ovat useiden hermoston kasvainten taustalla. Geenimutaatiot voivat johtaa geenin toiminnan häiriintymiseen, ja geenituotteen, proteiinin, epänormaaliin ilmentymiseen. Geenin kopioluvun kasvu (monistuma) voi aktivoida syöpägeenien toimintaa, ja lisätä niiden proteiinituotteen ilmentymistä. Muutokset solun lisääntymistä ja kasvua ohjailevien proteiinien määrässä voivat johtaa solun hillitsemättömään kasvuun, tai muutoksiin solun erilaistumisessa. Nämä tekijät ovat oleellisia syövän syntymekanismille. Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena oli tutkia kromosomialueen 4q12 geenien merkitystä hermoston kasvaimissa, kuten aivojen ja selkäytimen syövissä. Tällä kromosomialueella sijaitsevat reseptorityrosiinikinaasigeenit KIT, PDGFRA ja VEGFR2, sekä muita hermoston kehitykseen liittyviä geenejä, kuten REST ja LNX1. Myös LNX1:n sitoutumispartnerin, NUMBL:n roolia hermostojen kasvaimissa tutkittiin. Reseptorityrosiinikinaasit ovat avaintekijöitä solusignaloinnissa. Nämä solun pinnalla sijaitsevat reseptorit välittävät solun ulkopuolelta tulevia signaaleja solun sisälle, ja niiden aktivoimat molekyylit säätelevät solun kasvua. REST, LNX1 ja NUMBL ovat tärkeitä hermoston erilaistumista ja kehitystä ohjailevia geenejä. Työn ensimmäisessä vaiheessa tutkittiin kliinisestä kasvainmateriaalista 4q12-alueen geenien muutoksia. Uusia, aiemmin tuntemattomia REST-, KIT-, LNX1- ja NUMBL-geenien mutaatiota ja/tai monistumia löytyi useista hermoston kasvaimista. KIT-, PDGFRA- ja VEGFR2-geenien samanaikaista monistumista löytyi pääasiassa lapsuusiän aivokasvaimista. PDGFRA-geenin monistuma assosioitui huonomman elinajan ennusteen kanssa. 4q12-alueen geenien koodaamien proteiinien määrä oli myös usein lisääntynyt hermoston kasvaimissa. Tulokset viittaavat siihen, että näiden geenien muutoksia ja/tai lisääntynyttä proteiinin ilmentymistä voidaan käyttää hyväksi taudin todentamisessa ja ennusteen määrittämisessä. Väitöskirjatyön toisessa vaiheessa tutkittiin KIT-geenin yli-ilmentymisen vaikutusta solujen kasvuun soluviljelymallissa. Hermoston kehityksen alkuvaiheessa KIT on tärkeässä roolissa, mutta sen merkitystä hermoston kasvaimissa ei juurikaan tunneta. Tutkimuksissamme KIT-geenin yli-ilmentyminen johti solujen lisääntyneeseen kasvuun sekä solujen ilmiasun muutoksiin. Kun KIT-proteiinin aktivaatio estettiin imatinib-inhibiittorilla, solujen kasvu palautui lähes alkuperäiselle tasolleen. Nämä tulokset osoittavat, että KIT on tärkeä solun kasvun säätelijä, ja muutokset sen toiminnassa voivat johtaa solun epänormaaliin kasvuun, ja lopulta kasvaimen syntyyn. Tämän työn tulokset viittaavat siihen, että muutokset kromosomialueen 4q12 geeneissä ovat tärkeitä osatekijöitä hermoston syöpien kehityksessä. Näillä geeneillä on tärkeä rooli solun kasvun ja jakautumisen säätelyssä, ja muutokset niiden ohjaamissa signaalireiteissä voivat johtaa solujen muuntuneeseen kasvuun. Signaalireittien tarkempi analysointi sekä yksittäisten geenien ja niiden proteiinituotteiden roolien selvitys on apuna suunniteltaessa yhä tehokkaammin kohdennettuja syöpähoitoja.