Text publicat el 7 de febrer, i esborrat el mes d’abril. El tornem a publicar
Oncogenòmica: En la darrera dècada hem comentat els avenços realitzats en la genòmica tumoral. Un lloc destacat en aquesta línia de recerca l’ocupa l’Atles Genòmic del Càncer (TCGA, 2013; Hutter & Zenklusen, 2018), que examinava sobretot les regions codificants del genoma, és a dir les seqüències que s’expressen en forma de proteïnes i altres productes gènics. Però el genoma també inclou regions no-codificants, que tenen un paper regulador. Per fer, doncs, una anàlisi genòmica integral dels tumors humans nasqué el projecte “Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes” (PCAWG), al qual aquesta setmana la revista Nature dedica un número especial. El càncer és contemplat habitualment com una malaltia del genoma, és a dir que la transformació tumoral és provocada per l’acumulació en un llinatge cel·lular de mutacions somàtiques en gens relacionats amb la proliferació. El PCAWG fa un pas més, en considerar la natura i conseqüències de les mutacions somàtiques i germinals tant de les regions codificants com de les no-codificants, i especialment posa atenció en els llocs cis-reguladors, en els ARNs no-codificants i en alteracions estructurals a escala cromosòmica. El material de base és el banc de l’International Cancer Genome Consortium (ICGC), que aplega dades corresponents a 2693 genomes tumorals, així com dels corresponents genomes normals. En la recerca del PCAWG han participat més de 700 científics. No tan sols han generat dades genòmiques i altres informacions genètiques (reconstruccions subclonals, puresa i ploidia, isoformes d’splicing alternatiu), sinó també dades clíniques i histopatològiques. Totes aquestes dades són disponibles sense més restricció que l’exigida per protegir els 2793 donants.
Anàlisi genòmica integral de 38 tipus tumorals diferents
El PCAWG és fruit d’un consorci entre l’ICGC i el TCGA. En un article a la revista Nature reporten una anàlisi integradora de 2658 genomes tumorals, corresponents a 38 tipus diferents de càncer. Aquesta anàlisi es fa a través d’una comparació entre cada genoma tumoral i el teixit normal corresponent. Els canvis genètics, és a dir variacions o mutacions en el genoma, són considerats la força motriu que hi ha al darrera de les neoplàsies o tumors. Si la genètica del càncer aconseguí descriure individualment oncogens i gens supressors de tumors, la genòmica permet, a través de la seqüenciació massiva en paral·lel, documentar tota la variació. La genòmica contemporània recolza, és clar, en les noves tècniques moleculars, però paral·lelament ha requerit tot un desenvolupament bioinformàtic. El PCAWG ha estat possible gràcies als núvols computacionals que permeten compartir dades bioinformàtiques a escala internacional.
Fa prop de cinquanta anys, Alfred G. Knudson postulà, d’acord amb 48 casos de retinoblastoma i les dades bibliogràfiques de l’època, que aquest tipus de càncer era degut a dues mutacions, la primera germinal (és a dir, congènita) i la segona somàtica (és a dir apareguda en el llinatge cel·lular que condueix a les cèl·lules progenitores de la retina). Des de llavors, hom ha pogut refinar aquesta teoria i estendre-la a tipus tumorals. Les dades del PCAWG ens mostren que, de mitjana, un càncer conté en el seu genoma de 4 a 5 mutacions conductores de transformació tumoral. Entre aquestes 4-5 mutacions, n’hi ha que afecten a elements codificants i d’altres a elements no-codificants. Ara bé, dels 2658 genomes tumorals analitzats, n’hi ha un 5% que no presenta cap de les mutacions conegudes. Cal pensar que hom encara no coneix tots els elements que condueixen a la transformació tumoral, i que potser hi ha factors que no són estrictament genòmics, sinó epigenòmics o proteòmics.
Les dades del PCAWG indiquen que la cromotripsi, és a dir el procés de reordenament cromosòmic ulterior a una fragmentació catastròfica del genoma cel·lular, és sovint un dels primers esdeveniments en l’evolució tumoral. La cromotripsi resulta en nombroses variants estructurals agregades, amb el consegüent impacte en la regulació de l’expressió gènica. Així doncs, en el melanoma acral, la cromotripsi precedeix a la majoria de mutacions somàtiques puntuals i ella mateixa afecta simultàniament diversos gens relacionats amb el control de la proliferació cel·lular.
Un tret que apareix sovint en les cel·lules tumorals és l’alteració en el sistema de manteniment de telòmers. Els telòmers, que són les estructures terminals de cromosomes, tenen un paper rellevant en el control de la proliferació cel·lular. Els càncers amb alteracions en l’homeostasi telomèrica solen derivar de teixits amb baixa activitat replicativa. Aquestes alteracions fan que els càncers puguin eludir l’anomenat “límit de Hayflick”, que atura la proliferació cel·lular quan els telòmers s’han escurçat massa al llarg de diversos cicles de replicació genòmica.
Entre les mutacions germinals que semblen predisposar a la transformació tumoral hi ha les que afecten precisament els patrons de mutació somàtica, tant pel que fa a mutacions puntuals, com a alteracions estructurals o a l’activació de retrotransposons (elements mòbils del genoma).
El PCAWG descriu mutacions en regions no-codificants com a motors del càncer prèviament desconegudes. També identifica noves signatures de processos mutacionals (substitucions de bases, petites insercions i delecions, variacions estructurals, etc.). També integra dades ja conegudes en un model d’evolució tumoral, i descriu la relació entre algunes mutacions somàtiques i aspectes transcriptòmics (splicing, nivells d’expressió, gens de fusió, activitat de promotors, etc.).
Esquema de les mutacions promotores de la transformació tumoral identificades en el PCAWG
Les mutacions somàtiques no-codificants implicades en la progressió tumoral
Esther Rheinbay, del Mass General Cancer Center, és la primera autora d’un article que analitza les mutacions somàtiques no-codificants implicades en 2658 tumors del PCAWG. Han hagut de desenvolupar una estratègia estatísticament rigorosa per tal de posar de manifest mutacions puntuals de regions no-codificants del genoma implicades en la transformació tumoral. L’anàlisi també abasta variants estructurals d’aquestes regions.
Rheinbay et al. confirmen tota una sèrie de mutacions reportades per investigacions anteriors, però també posen en dubte algunes altres. També identifiquen algunes mutacions fins ara desconegudes, com algunes mutacions puntuals en la regió 5’ del gen TP53 (un conegut “gen supressor de tumors”) o en les regions 3’ dels gens NFKBIZ i TOB1, així com delecions focals en el gen BRD4 i rearranjaments en els gens AKR1C.
L’estudi constata que les mutacions puntuals i les variants estructurals en regions no-codificants (seqüències reguladores) es presenten amb menor freqüència en la progressió tumoral que no pas les que afecten gens que codifiquen proteïnes. No obstant, creuen que a mesura que s’incloguin a la base de dades més genomes tumorals el nombre de les primeres creixerà.
Rheinbay et al. han identificat mutacions promotores de la transformació tumoral en zones no-codificants del genoma prèviament desconegudes
Del genoma al transcriptoma
El PCAWG Transcriptome Core Group encapçala un article sobre la base genòmica de les alteracions en l’ARN de les cèl·lules tumorals. Les alteracions en els ARN que resulten de la transcripció del genoma poden ésser producte de mutacions somàtiques d’aquest genoma, tant de regions codificants com també de regions no-codificants. Aquestes mutacions genòmiques poden comportar alteracions en els ARN com ara sobreexpressions, alteracions en el procés d’splicing (és a dir, en la selecció i ordenament dels exons d’un gen) i, fins i tot, fusions gèniques. El PCAWG combina dades seqüenciació integral del genoma amb dades transcriptòmiques.
A partir de teixits de 1188 donants en el marc del PCAWG-ICGC-TCGA, s’ha realitzat un catàleg d’alteracions gèniques associades al càncer. El catàleg mostra associacions entre alteracions d’ARN i mutacions d’ADN tant germinals com somàtiques. Les mutacions que més condueixen a variacions en l’expressió gènica són les que afecten, a nivell somàtic, al nombre de còpies de cada gen. A més, en el catàleg apareixen 649 associacions entre mutacions somàtiques puntuals i canvis en l’expressió gènica adjacent: en el 68,4% es tracta de mutacions en les regions no-codificants que flanquegen el gen afectat.
En aquesta base de dades transcriptòmiques, s’han identificat 1900 alteracions d’splicing associades a mutacions somàtiques. Algunes d’aquestes alteracions comporten la formació d’exons en regions intròniques, particularment en zones properes a elements transposables Alu.
De les fusions gèniques trobades, el 82% s’associen a variants estructurals del genoma. En aquest sentit, els membres del PCAWG descriuen una nova classe de fusions, les “fusions de pont”, en el qual una tercera localització genòmica posa en contacte dos gens.
Entre les fusions gèniques trobades en el marc del PCAWG destaquen les fusions de tipus pont. Aquestes i altres alteracions d’ARN poden servir per a identificar nous gens i mecanismes implicats funcionalment en el càncer
La variació estructural somàtica en els genomes tumorals
Li Yilong, del Wellcome Sanger Institute, encapçala un article sobre els patrons de variació estructural somàtica en els 2658 genomes tumorals del PCAWG. Ja hem vist com les variacions estructurals, consistents en rearranjaments cromosòmics que impliquen delecions, amplificacions o reordenaments, constitueixen un procés associat a la transformació tumoral. Aquestes variacions estructurals poden afectar des d’uns pocs milers de nucleòtids fins a cromosomes sencers.
Li et al. identifiquen setze signatures de variacions estructural. Les delecions, per exemple, apareixen amb més freqüència en les regions del genoma que es repliquen més tard. Les duplicacions en tàndem, contràriament, són més freqüents en regions de replicació primerenca. En el càncer de fetge, les duplicacions en tàndem són sovint les responsables de l’activació del gen TERT, i la consegüent desregulació dels telòmers.
Patrons d’alteracions estructurals del genoma en diferents tipus de tumors
La història evolutiva de 2658 tumors
Moritz Gerstung, d’EMBL-EBI, encapçala un article sobre l’evolució dels 2658 tumors inclosos en el PCAWG. El desenvolupament tumoral és descrit com un procés d’evolució somàtica, és a dir el procés d’evolució d’un llinatge cel·lular somàtic en el context d’un organisme. Les dades de seqüenciació genètica d’una biòpsia informen d’un instant concret en aquest procés evolutiu. Gerstung et al. reconstrueixen a partir d’aquestes 2658 “fotografies” la història vital i l’evolució dels processos mutacionals de 38 tipus diferents de càncer.
En la fase inicial de l’oncogènesi, Gerstung et al. prediuen una sèrie de mutacions en un conjunt limitat de gens (oncogens i gens supressors de tumors) així com guanys específics en el nombre de còpies d’algunes regions cromosòmiques. Per exemple, en el glioblastoma és habitual que es produeixi una trisomia 7 (és a dir, que de les dues còpies originàries del cromosoma 7 es passi a tres còpies), mentre que en el medul·loblastoma hi ha un reordenament del braç llarg del cromosoma 17 (isocromosoma 17q).
En el 40% dels tumors analitzats, hi ha un canvi significatiu en l’espectre mutacional al llarg de l’evolució tumoral. En els estadis tardans es multiplica per quatre el nombre de gens implicats en la progressió tumoral, al mateix temps que augmentat la inestabilitat estructural del genoma. Aquesta inestabilitat s’expressa en crisis mitòtiques, que fan que les cèl·lules filles adquireixen guanys simultanis de segments cromosòmics.
El més remarcable de l’anàlisi computacional de Gerstung et al. és que les mutacions que hi ha al darrera de la progressió tumoral sovint precedeixen el diagnòstic en anys o, fins i tot, dècades. Conèixer aquestes mutacions ajudaria a una detecció primerenca.
Entre l’aparició de mutacions conductores del procés de transformació tumoral i el diagnòstic del càncer poden transcórrer anys o dècades
Signatures mutacionals dels càncers humans
Ludmil B. Alexandrov, de la University of California at San Diego, encapçala un article sobre el repertori de signatures mutacionals identificades en el PCAWG. Per fer-ho, han analitzat 84.729.690 mutacions somàtiques de 4645 seqüències genòmiques (ADN genòmic) i 19184 seqüències exòmiques (ADN complementari) que abasten la majoria de tipus tumorals.
De les signatures identificades, n’hi ha 49 associades a substitucions mononucleotídiques, 11 associades a substitucions de doblets nucleotídics, 4 associades a substitucions de grups de nucleòtids, i 17 associades a petites insercions/delecions. Algunes de les signatures identificades són noves descobertes. Darrera de cada signatura hi ha components diferents, que poden vincular-se a danys d’ADN (genotoxicosi) o a processos de reparació o replicació d’ADN. D’aquesta manera, darrera de les mutacions podem trobar mutàgens (exògens o endògens) o bé deficiències en els processos de manteniment (reparació/replicació) de l’ADN. Alexandrov et al. admeten de tota manera que moltes signatures no tenen una etiologia clara.
Som encara lluny de poder identificar plenament les causes últimes darrera de les mutacions que han conduït a un procés tumoral, però la combinació de la seqüenciació genòmica amb la identificació de signatures mutacionals ofereix una via per assolir-ho en un futur.
Lligams:
– Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes. Número especial de la revista Nature.
– Pancaner Analysis of Whole Genomes (PCAWG). ICGC Data Portal.
– Pan-cancer analysis of whole genomes. The ICGC/TCGA Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes Consortium. Nature 578: 82-93 (2020).
– Analyses of non-coding somatic drivers in 2,658 cancer whole genomes. Esther Rheinbay, Morten Muhlig Nielsen, Federico Abascal, Jeremiah A. Wala, Ofer Shapira, Grace Tiao, Henrik Hornshøj, Julian M. Hess, Randi Istrup Juul, Ziao Lin, Lars Feuerbach, Radhakrishnan Sabarinathan, Tobias Madsen, Jaegil Kim, Loris Mularoni, Shimin Shuai, Andrés Lanzós, Carl Herrmann, Yosef E. Maruvka, Ciyue Shen, Samirkumar B. Amin, Pratiti Bandopadhayay, Johanna Bertl, Keith A. Boroevich, John Busanovich, Joana Carlevaro-Fita, Dimple Chakravarty, Calvin Wing Yiu Chan, David Craft, Priyanka Dhingra, Klev Diamanti, Nuno A. Fonseca, Abel Gonzalez-Perez, Qianyun Guo, Mark P. Hamilton, Nicholas J. Haradhvala, Chen Hong, Keren Isaev, Todd A. Johnson, Malene Juul, Andre Kahles, Abdullah Kahraman, Youngwook Kim, Jan Komorowski, Kiran Kumar, Sushant Kumar, Donghoon Lee, Kjong-Van Lehmann, Yilong Li, Eric Minwei Liu, Lucas Lochovsky, Keunchil Park, Oriol Pich, Nicola D. Roberts, Gordon Saksena, Steven E. Schumacher, Nikos Sidiropoulos, Lina Sieverling, Nasa Sinnott-Armstrong, Chip Stewart, David Tamborero, Jose M. C. Tubio, Husen M. Umer, Liis Uusküla-Reimand, Claes Wadelius, Lina Wadi, Xiaotong Yao, Cheng-Zhong Zhang, Jing Zhang, James E. Haber, Asger Hobolth, Marcin Imielinski, Manolis Kellis, Michael S. Lawrence, Christian von Mering, Hidewaki Nakagawa, Benjamin J. Raphael, Mark A. Rubin, Chris Sander, Lincoln D. Stein, Joshua M. Stuart, Tatsuhiko Tsunoda, David A. Wheeler, Rory Johnson, Jüri Reimand, Mark Gerstein, Ekta Khurana, Peter J. Campbell, Núria López-Bigas, PCAWG Drivers and Functional Interpretation Working Group, PCAWG Structural Variation Working Group, Joachim Weischenfeldt, Rameen Beroukhim, Iñigo Martincorena, Jakob Skou Pedersen, Gad Getz & PCAWG Consortium. Nature 578: 102-111 (2020).
– Genomic basis for RNA alterations in cancer. PCAWG Transcriptome Core Group, Claudia Calabrese, Natalie R. Davidson, Deniz Demircioğlu, Nuno A. Fonseca, Yao He, André Kahles, Kjong-Van Lehmann, Fenglin Liu, Yuichi Shiraishi, Cameron M. Soulette, Lara Urban, Liliana Greger, Siliang Li, Dongbing Liu, Marc D. Perry, Qian Xiang, Fan Zhang, Junjun Zhang, Peter Bailey, Serap Erkek, Katherine A. Hoadley, Yong Hou, Matthew R. Huska, Helena Kilpinen, Jan O. Korbel, Maximillian G. Marin, Julia Markowski, Tannistha Nandi, Qiang Pan-Hammarström, Chandra Sekhar Pedamallu, Reiner Siebert, Stefan G. Stark, Hong Su, Patrick Tan, Sebastian M. Waszak, Christina Yung, Shida Zhu, Philip Awadalla, Chad J. Creighton, Matthew Meyerson, B. F. Francis Ouellette, Kui Wu, Huanming Yang, PCAWG Transcriptome Working Group, Alvis Brazma, Angela N. Brooks, Jonathan Göke, Gunnar Rätsch, Roland F. Schwarz, Oliver Stegle, Zemin Zhang & PCAWG Consortium. Nature 578: 129-136 (2020).
– Patterns of somatic structural variation in human cancer genomes. Yilong Li, Nicola D. Roberts, Jeremiah A. Wala, Ofer Shapira, Steven E. Schumacher, Kiran Kumar, Ekta Khurana, Sebastian Waszak, Jan O. Korbel, James E. Haber, Marcin Imielinski, PCAWG Structural Variation Working Group, Joachim Weischenfeldt, Rameen Beroukhim, Peter J. Campbell & PCAWG Consortium. Nature 578: 112-121 (2020).
– The evolutionary history of 2,658 cancers. Moritz Gerstung, Clemency Jolly, Ignaty Leshchiner, Stefan C. Dentro, Santiago Gonzalez, Daniel Rosebrock, Thomas J. Mitchell, Yulia Rubanova, Pavana Anur, Kaixian Yu, Maxime Tarabichi, Amit Deshwar, Jeff Wintersinger, Kortine Kleinheinz, Ignacio Vázquez-García, Kerstin Haase, Lara Jerman, Subhajit Sengupta, Geoff Macintyre, Salem Malikic, Nilgun Donmez, Dimitri G. Livitz, Marek Cmero, Jonas Demeulemeester, Steven Schumacher, Yu Fan, Xiaotong Yao, Juhee Lee, Matthias Schlesner, Paul C. Boutros, David D. Bowtell, Hongtu Zhu, Gad Getz, Marcin Imielinski, Rameen Beroukhim, S. Cenk Sahinalp, Yuan Ji, Martin Peifer, Florian Markowetz, Ville Mustonen, Ke Yuan, Wenyi Wang, Quaid D. Morris, PCAWG Evolution & Heterogeneity Working Group, Paul T. Spellman, David C. Wedge, Peter Van Loo & PCAWG Consortium. Nature 578: 122-128 (2020).
– The repertoire of mutational signatures in human cancer. Ludmil B. Alexandrov, Jaegil Kim, Nicholas J. Haradhvala, Mi Ni Huang, Alvin Wei Tian Ng, Yang Wu, Arnoud Boot, Kyle R. Covington, Dmitry A. Gordenin, Erik N. Bergstrom, S. M. Ashiqul Islam, Nuria Lopez-Bigas, Leszek J. Klimczak, John R. McPherson, Sandro Morganella, Radhakrishnan Sabarinathan, David A. Wheeler, Ville Mustonen, PCAWG Mutational Signatures Working Group, Gad Getz, Steven G. Rozen, Michael R. Stratton & PCAWG Consortium. Nature 578: 94-101 (2020).
