Pathogenicity, functional significance and clinical phenotype of mismatch repair gene MSH2 variants found in cancer patients

DNA ja siinä sijaitsevat geenit ohjaavat kaikkea solujen toimintaa. DNA-molekyyleihin kuitenkin kertyy mutaatioita sekä ympäristön vaikutuksen, että solujen oman toiminnan tuloksena. Mikäli virheitä ei korjata, saattaa tuloksena olla solun muuttuminen syöpäsoluksi. Soluilla onkin käytössä useita DNA-virheiden korjausmekanismeja, joista yksi on ns. mismatch repair (MMR). MMR vastaa DNA:n kahdentumisessa syntyvien virheiden korjauksesta. Periytyvät mutaatiot geeneissä, jotka vastaavat MMR-proteiinien rakentamisesta, aiheuttavat ongelmia DNA:n korjauksessa ja altistavat kantajansa periytyvälle ei-polypoottiselle paksusuolisyöpäoireyhtymälle (hereditary nonpolyposis colorectal cancer, HNPCC). Yleisimmin mutatoituneet MMR-geenit ovat MLH1 ja MSH2. HNPCC periytyy vallitsevasti, eli jo toiselta vanhemmalta peritty geenivirhe altistaa syövälle. MMR-geenivirheen kantaja sairastuu syöpään elämänsä aikana suurella todennäköisyydellä, ja sairastumisikä on vain noin 40 vuotta. Syövälle altistavan geenivirheen löytäminen mutaation kantajilta on hyvin tärkeää, sillä säännöllinen seuranta mahdollistaa kehittymässä olevan kasvaimen havaitsemisen ja poistamisen jo aikaisessa vaiheessa. Tämän on osoitettu alentavan syöpäkuolleisuutta merkittävästi. Varma tieto altistuksen alkuperästä on tärkeä myös niille syöpäsuvun jäsenille, jotka eivät kanna kyseistä mutaatiota. Syövälle altistavien mutaatioiden ohella MMR-geeneistä löydetään säännöllisesti muutoksia, jotka ovat normaalia henkilöiden välistä geneettistä vaihtelua, eikä niiden oleteta lisäävän syöpäaltistusta. Altistavien mutaatioiden erottaminen näistä neutraaleista variaatioista on vaikeaa, mutta välttämätöntä altistuneiden tehokkaan seurannan varmistamiseksi. Tässä väitöskirjassa tutkittiin 18:a MSH2 -geenin mutaatiota. Mutaatiot oli löydetty perheistä, joissa esiintyi paljon syöpiä, mutta niiden vaikutus DNA:n korjaustehoon ja syöpäaltistukseen oli epäselvä. Työssä tutkittiin kunkin mutaation vaikutusta MSH2-proteiinin normaaliin toimintaan, ja tuloksia verrattiin potilaiden ja sukujen kliinisiin tietoihin. Tutkituista mutaatiosta 12 aiheutti puutteita MMR-korjauksessa. Nämä mutaatiot tulkittiin syövälle altistaviksi. Analyyseissä normaalisti toimineet 4 mutaatiota eivät todennäköisesti ole syynä syövän syntyyn kyseisillä perheillä. Tulkinta jätettiin avoimeksi 2 mutaation kohdalla. Tutkimuksesta hyötyivät suoraan kuvattujen mutaatioiden kantajaperheet, joiden geenivirheen syöpäaltistuksesta saatiin tietoa, mahdollistaen perinnöllisyysneuvonnan ja seurannan kohdentamisen sitä tarvitseville. Työ selvensi myös mekanismeja, joilla mutatoitunut MSH2-proteiini voi menettää toimintakykynsä.

Hereditary nonpolyposis colorectal cancer (HNPCC) is a hereditary cancer syndrome, which associates with high penetrance of early onset colorectal and endometrial tumours. Susceptibility for HNPCC is dominantly inherited with germline defects in the mismatch repair (MMR) genes MLH1, MSH2, MSH6 and PMS2. A truncating mutation in one of these genes leads to deficient MMR, predisposing the mutation carriers to HNPCC, but a nontruncating mutation can either be neutral or lead to increased cancer risk and HNPCC. The correct determination of the pathogenicity of a found mutation is very important, as the verification of the causative mutation enables genetic counselling and surveillance of mutation carriers. This has been shown to lead to significantly lowered mortality. MSH2 is the second most commonly mutated HNPCC susceptibility gene and defects in it account for 39% of all identified HNPCC mutations. The aim of this work was to gather functional evidence on the pathogenicity of patient-derived nontruncating MSH2 variants. The proteins corresponding to the original genetic variants were expressed and purified. The expression level, MMR efficiency, interaction with MSH6, mismatch binding, and mismatch release capabilities of the protein variants were studied. The results of the functional assays were compared to the clinical characteristics of the mutation carriers. 12 of the studied 18 mutations were found to exhibit severe defects in the functional assays, supporting the hypothesis that these mutations were the underlying cause of the cancer phenotype in mutation carriers. 2 mutations reduced but did not abolish the function of the protein, leaving their pathogenicity status inconclusive. 4 mutations showed no or only a minor defect in the assays, suggesting nonpathogenicity. The functional defects were mediated through different mechanisms. The majority of the MMR-deficient mutations which were located in the amino-terminal domains of MSH2 demonstrated defects in the protein expression level. Most of the carboxy-terminal mutations, situated in the ATPase domain, had an impact on the ability of the protein to bind or release mismatched DNA. When comparing the biochemical data to the tumour phenotype, a significant correlation between the functional deficiency in vitro and lack of expression of the corresponding protein in the tumour was observed. The analyses demonstrated that the location of the mutation affects the biochemistry of MMR, but may also have an effect on the phenotype of MSH2 mutation carriers. This study significantly contributed to the knowledge of MSH2-associated HNPCC tumorigenesis, especially facilitating the diagnostics and counselling of the associated families.