Microarrays in Lung Cancer Research: From Comparative Analyses to Verified Findings

Keuhkosyöpä on yleisimpiä syöpätauteja. Se jaetaan kahteen päätyyppiin: pienisoluiseen ja ei-pienisoluiseen keuhkosyöpään. Ei-pienisoluinen keuhkosyöpä jaetaan lisäksi alatyyppeihin, joista suurimmat ovat levyepiteeli-, adeno- ja suurisoluinen karsinooma. Keuhkosyövän tärkein riskitekijä on tupakointi, mutta muutkin työ- ja elinympäristön altisteet, kuten asbesti, voivat johtaa syöpään. Väitöstyössä tutkittiin kahdenlaisten keuhkosyöpäryhmien erityispiirteitä. Työssä kartoitettiin, onko löydettävissä muutoksia, jotka erottavat asbestikeuhkosyövät muista syövistä sekä luuytimeen varhaisessa vaiheessa leviävät keuhkosyövät leviämättömistä syövistä. Tutkimusten ensimmäisessä vaiheessa käytettiin mikrosirupohjaisia menetelmiä, jotka mahdollistavat jopa kaikkien geenien tarkastelun yhden kokeen avulla. Vertailevien mikrosirututkimusten avulla on mahdollista paikantaa geenejä tai kromosomialueita, joiden muutokset erottelevat ryhmät toisistaan. Asbestiin liittyvissä tutkimuksissa paikannettiin kuusi kromosomialuetta, joissa geenien kopiolukumäärän sekä ilmenemistason muutokset erottelivat potilaat altistushistorian mukaan. Riippumattomilla laboratoriomenetelmillä tehtyjen jatkoanalyysien avulla pystyttiin varmistamaan, että 19p-alueen häviämä oli yhteydessä asbestialtistukseen. Työssä osoitettiin myös, että 19p-alueen muutoksia voidaan indusoida altistamalla soluja asbestille in vitro. Tutkimuksessa saatiin lisäksi viitteitä asbestispesifisistä muutoksista signaalinvälitysreiteissä, sillä yhdessä toimivien geenien ilmentymisessä havaittiin eroja asbestille altistuneiden ja altistumattomien välillä. Vertailemalla luuytimeen syövän aikaisessa vaiheessa levinneiden ja leviämättömien keuhkoadenokarsinoomien muutosprofiileita toisiinsa, paikannettiin viisi aluetta, joilla geenien kopiolukumäärä- sekä ilmenemistason muutokset erottelivat ryhmät toisistaan. Jatkoanalyyseissä havaittiin, että 4q-alueen häviämää esiintyi adenokarsinoomien lisäksi levyepiteelikarsinoomiin, jotka olivat levinneet luuytimeen. Myös keuhkosyöpien aivometastaaseissa alue oli toistuvasti hävinnyt. Väitöstyön tutkimukset osoittavat, että vertailevien mikrosiruanalyysien avulla saadaan tietoa syöpäryhmien erityispiirteistä. Työssä saadut tulokset osoittavat, että 19p-alueen muutokset ovat tyypillisiä asbestikeuhkosyöville ja 4q-alueen muutokset luuytimeen aikaisessa vaiheessa leviäville keuhkosyöville.

Molecular Alterations in Asbestos-Related Lung Cancer

Background: Asbestos is a well known cancer-causing mineral fibre, which has a synergistic effect on lung cancer risk in combination with tobacco smoking. Several in vitro and in vivo experiments have demonstrated that asbestos can evoke chromosomal damage and cause alterations as well as gene expression changes. Lung tumours, in general, have very complex karyotypes with several recurrently gained and lost chromosomal regions and this has made it difficult to identify specific molecular changes related primarily to asbestos exposure. The main aim of these studies has been to characterize asbestos-related lung cancer at a molecular level. Methods: Samples from asbestos-exposed and non-exposed lung cancer patients were studied using array comparative genomic hybridization (aCGH) and fluorescent in situ hybridization (FISH) to detect copy number alterations (CNA) as well as microsatellite analysis to detect allelic imbalance (AI). In addition, asbestos-exposed cell lines were studied using gene expression microarrays. Results: Eighteen chromosomal regions showing differential copy number in the lung tumours of asbestos-exposed patients compared to those of non-exposed patients were identified. The most significant differences were detected at 2p21-p16.3, 5q35.3, 9q33.3-q34.11, 9q34.13-q34.3, 11p15.5, 14q11.2 and 19p13.1-p13.3 (p<0.005). The alterations at 2p and 9q were validated and characterized in detail using AI and FISH analysis in a larger study population. Furthermore, in vitro studies were performed to examine the early gene expression changes induced by asbestos in three different lung cell lines. The results revealed specific asbestos-associated gene expression profiles and biological processes as well as chromosomal regions enriched with genes believed to contribute to the common asbestos-related responses in the cell lines. Interestingly, the most significant region enriched with asbestos-response genes was identified at 2p22, close to the previously identified region showing asbestos-related CNA in lung tumours. Additionally, in this thesis, the dysregulated biological processes (Gene Ontology terms) detected in the cell line experiment were compared to dysregulated processes identified in patient samples in a later study (Ruosaari et al., 2008a). Commonly affected processes such as those related to protein ubiquitination, ion transport and surprisingly sensory perception of smell were identified. Conclusions: The identification of specific CNA and dysregulated biological processes shed some light on the underlying genes acting as mediators in asbestos-related lung carcinogenesis. It is postulated that the combination of several asbestos-specific molecular alterations could be used to develop a diagnostic method for the identification of asbestos-related lung cancer.