Molecular features of colorectal cancer predisposition and progression

Both inherited genetic variations and somatically acquired mutations drive cancer development. The aim of this thesis was to gain insight into the molecular mechanisms underlying colorectal cancer (CRC) predisposition and tumor progression. Whereas one-third of CRC may develop in the context of hereditary predisposition, the known highly penetrant syndromes only explain a small fraction of all cases. Genome-wide association studies have shown that ten common single nucleotide polymorphisms (SNPs) modestly predispose to CRC. Our population-based sample series of around thousand CRC cases and healthy controls was genotyped for these SNPs. Tumors of heterozygous patients were analyzed for allelic imbalance, in an attempt to reveal the role of these SNPs in somatic tumor progression. The risk allele of rs6983267 at 8q24 was favored in the tumors significantly more often than the neutral allele, indicating that this germline variant is somatically selected for. No imbalance targeting the risk allele was observed in the remaining loci, suggesting that most of the low-penetrance CRC SNPs mainly play a role in the early stages of the neoplastic process. The ten SNPs were further analyzed in 788 CRC cases, 97 of which had a family history of CRC, to evaluate their combined contribution. A significant association appeared between the overall number of risk alleles and familial CRC and these ten SNPs seem to explain around 9% of the familial clustering of CRC. Finding more CRC susceptibility alleles may facilitate individualized risk prediction and cancer prevention in the future. Microsatellite instability (MSI), resulting from defective mismatch repair function, is a hallmark of Lynch syndrome and observed in a subset of all CRCs. Our aim was to identify microsatellite frameshift mutations that inactivate tumor suppressor genes in MSI CRCs. By sequencing microsatellite repeats of underexpressed genes we found six novel MSI target genes that were frequently mutated in 100 MSI CRCs: 51% in GLYR1, 47% in ABCC5, 43% in WDTC1, 33% in ROCK1, 30% in OR51E2, and 28% in TCEB3. Immunohistochemical staining of GLYR1 revealed defective protein expression in homozygously mutated tumors, providing further support for the loss of function hypothesis. Another mutation screening effort sought to identify MSI target genes with putative oncogenic functions. Microsatellites were similarly sequenced in genes that were overexpressed and, upon mutation, predicted to avoid nonsense-mediated mRNA decay. The mitotic checkpoint kinase TTK harbored protein-elongating mutations in 59% of MSI CRCs and the mutant protein was detected in heterozygous MSI CRC cells. No checkpoint dysregulation or defective protein localization was observable however, and the biological relevance of this mutation may hence be related to other mechanisms. In conclusion, these two large-scale and unbiased efforts identified frequently mutated genes that are likely to contribute to the development of this cancer type and may be utilized in developing diagnostic and therapeutic applications.

Paksu- ja peräsuolisyöpä (kolorektaalisyöpä) kuuluu länsimaiden yleisimpiin syöpätauteihin. Tässä tutkimuksessa selvitettiin kolorektaalisyövän perinnöllisen alttiuden ja taudin etenemisen molekyylitaustaa. Kolorektaalisyöpä on monitekijäinen tauti, jonka syntyyn vaikuttavat sekä elintapa- että perintötekijät. Ihmisen perimästä on hiljattain tunnistettu kymmenen väestössä yleisesti esiintyvää ns. yhden nukleotidin polymorfismia (single nucleotide polymorphism, SNP), jotka lievästi kohottavat kolorektaalisyövän riskiä. Tutkimme näiden kymmenen SNP:n roolia syöpäalttiudessa ja kasvainten kehityksessä, analysoimalla niitä genetiikan ja tilastotieteen menetelmin laajassa potilas-verrokki-aineistossa. Kromosomikohdassa 8q24 sijaitsevan SNP:n riskimuodon (alleelin) havaittiin normaaliin suolikudokseen verrattuna rikastuneen kasvaimissa. Muiden SNP:ien kohdalla vastaavaa ei havaittu, joten niillä näyttäisi olevan merkitystä lähinnä syöpäalttiudessa. SNP:ien yhteisvaikutusta analysoitiin perheittäin esiintyvässä eli familiaalisessa kolorektaalisyövässä, jonka perinnöllisiä syitä ei vielä hyvin tunneta. Riskialleelien kokonaismäärän ja familiaalisen syövän välillä todettiin selvä yhteys ja nämä kymmenen SNP:ia näyttävät selittävät pienen osan familiaalisesta riskistä. Mikäli vastaavia matalan penetranssin SNP:ja tunnistetaan lisää, voi yksilöllinen syöpäriskin määritys ja siihen perustuva taudin ehkäisy tulla mahdolliseksi. Noin kuudesosa kolorektaalisyövistä, mukaan lukien Lynchin syndrooman kasvaimet, kehittyy ns. mikrosatelliitti-instabiilin (MSI) alatyypin reittiä. MSI-kasvaimet syntyvät tietyn DNA:n korjausmekanismin inaktivoiduttua, minkä seurauksena mutaatioita kertyy suolikudoksen solujen perimään. Osa näistä mutaatioista voi aiheuttaa syöpää edesauttavia muutoksia geenien toiminnassa. Kasvaimia sekvensoimalla analysoimme mutaatioita tyypillisesti kerääviä mikrosatelliittialueita sellaisissa geeneissä, joiden ilmentyminen oli mikrosiruanalyysin perusteella muuttunut suolen normaalikudokseen verrattuna. Heikommin ilmentyvistä geeneistä löysimme kuusi yleisesti MSI-kolorektaalisyövissä mutatoitunutta (28 51%) uutta syöpägeeniä. Useimmin mutatoituneen GLYR1-geenin tuottaman proteiinin taso oli kasvainten immunohistokemiallisen värjäyksen perusteella selvästi alentunut, mikä tukee GLYR1:n roolia kasvunrajoitegeeninä. Analysoimistamme voimakkaammin ilmentyneistä geeneistä TTK-geenin havaittiin olevan mutatoitunut 59% MSI-kolorektaalisyövistä. Vaikka TTK tuottaa solunjakautumisessa toimivaa entsyymiä, ei mutanttisolujen jakautumiskontrollin heikentymisestä saatu viitteitä soluviljelykokeissa. Tämän puutteellisesti tunnetun kolorektaalisyövän alatyypin mutaatioprofiilin karakterisointi voi auttaa parempien diagnostiikka- ja hoitosovellusten kehittämistä.