Molecular and clinical characteristics of tricarboxylic acid cycle-associated tumors

Hereditary leiomyomatosis and renal cell cancer (HLRCC) is a rare, dominantly inherited tumor predisposition syndrome characterized by benign cutaneous and uterine (ULM) leiomyomas, and sometimes renal cell cancer (RCC). A few cases of uterine leiomyosarcoma (ULMS) have also been reported. Mutations in a nuclear gene encoding fumarate hydratase (FH), an enzyme of the mitochondrial tricarboxylic acid cycle (TCA cycle), underlie HLRCC. As a recessive condition, germline mutations in FH predispose to a neurological defect, FH deficiency (FHD). Hereditary paragangliomatosis (HPGL) is a dominant disorder associated with paragangliomas and pheochromocytomas. Inherited mutations in three genes encoding subunits of succinate dehydrogenase (SDH), also a TCA cycle enzyme, predispose to HPGL. Both FH and SDH seem to act as tumor suppressors. One of the consequences of the TCA cycle defect is abnormal activation of HIF1 pathway ( pseudohypoxia ) in the HLRCC and HPGL tumors. HIF1 drives transcription of genes encoding e.g. angiogenetic factors which can facilitate tumor growth. Recently hypoxia/HIF1 has been suggested to be one of the causes of genetic instability as well. One of the aims of this study was to broaden the clinical definers of HLRCC. To determine the cancer risk and to identify possible novel tumor types associated with FH mutations eight Finnish HLRCC/FHD families were extensively evaluated. The extension of the pedigrees and the Finnish Cancer Registry based tumor search yielded genealogical and cancer data of altogether 868 individuals. The standardized incidence ratio-based comparison of HLRCC/FHD family members with general Finnish population revealed 6.5-fold risk for RCC. Moreover, risk for ULMS was highly increased. However, according to the recent and more stringent diagnosis criteria of ULMS many of the HLRCC uterine tumors previously considered malignant are at present diagnosed as atypical or proliferative ULMs (with a low risk of recurrence). Thus, the formation of ULMS (as presently defined) in HLRCC appears to be uncommon. Though increased incidence was not observed, interestingly the genetic analyses suggested possible association of breast and bladder cancer with loss of FH. Moreover, cancer cases were exceptionally detected in an FHD family. Another clinical finding was the conventional (clear cell) type RCC of a young Spanish HLRCC patient. Conventional RCC is distinct from the types previously observed in this syndrome but according to these results, FH mutation may underlie some of young conventional cancer cases. Secondly, the molecular pathway from defective TCA cycle to tumor formation was intended to clarify. Since HLRCC and HPGL tumors display abnormally activated HIF1, the hypothesis on the link between HIF1/hypoxia and genetic instability was of interest to study in HLRCC and HPGL tumor material. HIF1α (a subunit of HIF1) stabilization was confirmed in the majority of the specimens. However, no repression of MSH2, a protein of DNA mismatch repair system, or microsatellite instability (MSI), an indicator of genetic instability, was observed. Accordingly, increased instability seems not to play a role in the tumorigenesis of pseudohypoxic TCA cycle-deficient tumors. Additionally, to study the putative alternative functions of FH, a recently identified alternative FH transcript (FHv) was characterized. FHv was found to contain instead of exon 1, an alternative exon 1b. Differential subcellular distribution, lack of FH enzyme activity, low mRNA expression compared to FH, and induction by cellular stress suggest FHv to have a role distinct from FH, for example in apoptosis or survival. However, the physiological significance of FHv requires further elucidation.

Periytyvä leiomyomatoosi ja munuaissyöpäsyndrooma (hereditary leiomyomatosis and renal cell cancer, HLRCC) aiheutuu inaktivoivista (heterotsygoottisista) mutaatiosta fumaraattihydrataasia (FH) koodaavassa geenissä. HLRCC:hen liittyy tyypillisimmin ihon ja kohdun hyvänlaatuiset lihaskasvaimet eli leiomyoomat, mutta osa mutaation kantajista sairastuu munuaissyöpään. Myös muutamia tapauksia kohdun leiomyosarkoomaa on tavattu. Toisaalta FH-geenin totaalinen (homotsygoottinen) puuttuminen ituradasta aiheuttaa vakavan perinnöllisen neurologisen oireyhtymän (FH deficiency, FHD). Tietty geenivirhe on myös paragangliomatoosin (hereditary paragangliomatosis, HPGL), toisen kasvainalttiussyndrooman taustalla. Sekä FH että HPGL:n alttiusgeenin tuote, sukkinaattidehydrogenaasi (SDH), toimii mitokondrioissa sitruunahappokierron entsyyminä huolehtien solujen energiatuotannosta. FH:n ja SDH:n ajatellaan toimivan kasvurajoitegeeneinä, koska niiden puuttuminen solusta johtaa kasvaimien muodostumiseen. Sekä HLRCC- että HPGL-kasvaimissa on havaittu epänormaalia HIF1- (hypoxia inducible factor 1) reitin aktivoitumista. Normaalisti HIF1 on aktiivinen vain hypoksiassa eli alhaisissa happiolosuhteissa. HIF1-reitin ajatellaan tuottavan kasvainsoluille suotuisat kasvuolosuhteet, esimerkiksi lisäämällä kasvaimien verisuonitusta. Lisäksi hypoksian/HIF1:n on ehdotettu aiheuttavan geneettistä epästabiiliutta eli kasvanutta DNA-mutaatioiden määrää. Koska HLRCC on harvinainen ja pahanlaatuisia kasvaimia tavataan vain joissakin HLRCC-perheissä, syöpäriski ja tieto mahdollisista muista syöpätyypeistä on jäänyt epätarkaksi. Tässä tutkimuksessa näitä seikkoja selvennettiin yhteensä 868 henkilöön ulottuvassa suku- ja sairausselvityksessä, jonka perustana oli kahdeksan suomalaista HLRCC/FHD-perhettä. Syöpätapausten ilmaantuvuutta perheissä verrattiin muuhun väestöön Suomen Syöpärekisteriin perustuvan riskisuhdeanalyysin avulla. Tuloksena oli, että ainakin suomalaisten HLRCC/FHD-perheiden jäsenillä on 6,5-kertainen riski sairastua munuaissyöpään. Vaikka myös kohdun leiomyosarkooman riski havaittiin kohonneeksi, tiukentuneiden diagnoosikriteerien perusteella useat aiemmin pahanlaatuisina pidetyistä HLRCC-kohtukasvaimista luokitellaan nykyisin epätyypillisiksi leiomyoomiksi (joissa vain matala uusiutumisriski). Täten todellisen kohdun leiomyosarkooman riski on huomattavasti pienempi kuin alun perin arvioitiin. Kasvaimien geneettisten analyysien perusteella FH:n häviäminen saattaisi johtaa myös rinta- ja rakkosyövän kehittymiseen, vaikkakaan kohonnutta sairastumisriskiä ei analyysissämme havaittu. Aiemmista havainnoista poiketen myös FHD-perheessä havaittiin pahanlaatuisia kasvaimia. Uusiin kasvaintyyppeihin liittyvä löydös oli myös kirkassoluisen histologian munuaiskasvain eräällä nuorella HLRCC-potilaalla. Tämä kasvaintyyppi on poikkeuksellinen HLRCC:ssä, mutta tuloksen perusteella osa, erityisesti nuorien, kirkassolusyöpien tapauksista saattaa olla FH-mutaation kantajia. Tarkentaaksemme FH:n ja SDH:n puuttumisesta johtuvan tuumorigeneesin taustoja, tutkimme, olisiko HIF1:n aiheuttamalla geneettisellä epästabiliiliudella roolia HLRCC- ja HPGL-kasvaimien kehittymisessä. Näin ei kuitenkaan näyttäisi olevan, sillä vaikka aiempien tutkimusten mukaisesti havaitsimme HIF1:n määrän lisääntyneen näissä kasvaimissa, epästabiiliutta indikoivien tekijöiden muutoksia eli DNA:n korjausproteiini MSH2:n vähenemistä tai DNA:n mikrosatelliittimuutoksia ei havaittu. Lisäksi tavoitteena oli tarkastella FH:n vastikään tunnistetun vaihtoehtoisen transkriptin (FHv) ominaisuuksia, ja selvittää voisiko FH:lla olla rooli myös sitruunahappokierron ulkopuolella. FHv:n (jossa vaihtoehtoinen eksoni 1) toiminta poikkesi FH:sta, sillä se ei paikantunut mitokondrioihin, siltä puuttui FH:n entsyymiaktiivisuus, ja sen mRNA lisääntyi soluissa stressiolosuhteiden (hypoksian ja lämpöshokin) seurauksena. FHv:n proteiinitason ilmentyminen ja todellinen funktio jäi kuitenkin vielä selvitettäväksi.