Epigenetic and genetic influence on radiation responce.

Abstract

Clinical experience has demonstrated that some tumors are more resistant towards ionizing radiation than others. There is strong evidence that both genetic and epigenetic characteristics of the tumor and surrounding tissue have impact on the response and outcome of treatment. As of today, there are no clinical tests that can identify patients with high risk for development of severe late adverse effects after radiotherapy, or those who are likely to respond poorly to the treatment. These tests would have provided the opportunity to optimize the radiotherapy, but in order to develop such tests we need better knowledge about the molecular mechanisms behind radiation response. We have studied 19 pairs of tumors sampled before and after radiation treatment for molecular markers of radiation response. The low number of cases and events increases the probability of false positive findings in microarray analysis. The results from this study should therefore be validated in independent datasets. The overall aim of this study was to investigate whole genome epigenetic effects for their impact on response to radiotherapy as well as selected genetic variations in TP53, MDM2, MDM4 and PIK3CA. Mutations in TP53 and SNP’s in MDM2 and MDM4 were selected because of the pivotal role of the p53 pathway in stress response. Two exons in PIK3CA were sequenced because mutations in these regions are reported to contribute to radiation resistance. DNA methylation was investigated since this epigenetic alteration is thought to have great impact on tumorigenesis and response to cancer treatment, because of the ability to regulate gene expression. Based on the methylation level of 84 genes we were able to separate the irradiated tumor samples from the non‐irradiated tumor samples with an overall error rate of 12,8%. Some of these genes, such as the inflammatory cytokine IL1A and H2AFY involved in DNA‐repair were significantly differentially methylated in the irradiated compared to the non‐irradiated tissue. For some genes such as IL1A, PPGB and H2AFY the alteration in methylation levels showed evidence for a dose dependency. Based on their clinical evaluation, samples were then divided into two major groups, good and poor responders. With an overall error rate of zero, samples from the two response groups were separated based on the methylation levels in 342 genes. The gene ESRRB was highly methylated in those with good response, while the gene EGR2, which is reported to be proapoptotic, was highly methylated in those reported with poor response. Overall, genes involved in the pathways connected to the immune response were found differentially methylated in tumor tissue exposed to irradiation compared with non‐irradiated tumor tissue, as well as between the good and reduced responders. A tendency towards lower response to treatment was seen in those tumors harboring TP53 mutations together with the unfavorable variant SNP’s in MDM2 or MDM4, or in those tumors carrying alterations PIK3CA. These results suggest that both genetic and epigenetic alterations have impact on the response to radiotherapy, and that methylation levels in both genes and pathways, are changed as a result of irradiation.

Klinisk erfaring har vist at noen tumorer er mer resistent til strålebehandling enn andre. Mye tyder på at både genetiske og epigenetiske faktorer påvirker respons og utfall av behandling. Per dags dato foreligger det ingen test for å kunne identifisere pasienter som enten har høy risiko for å utvikle bivirkninger, eller som ikke responderer på behandling. En slik type test ville ha forbedret mulighetene for å optimalisere strålebehandlingen. For å kunne utvikle en slik test må mer av de grunnleggende biologiske mekanismene bak stråleresponsen undersøkes. Vi har undersøkt 19 tumor par samlet inn fra brystkreftpasienter før og etter bestråling, for å identifisere molekylære markører for strålerespons. På grunn av få pasienter i materialet er sjansen for tilfeldig eller ikke signifikante funn i analysene høy. Funnene bør derfor bekreftes i et uavhengig prøvemateriale. Hovedmålet med denne oppgaven var å undersøke hvilken påvirkning helgenom epigentiske effekter har på stråleterapiresponsen, så vel som betydningen av genetiske variasjon i TP53, MDM2, MDM4 og PIK3CA. Mutasjoner i TP53 og SNP’er i MDM2 og MDM4 ble valgt på grunn av den avgjørende rollen p53 reaksjonsveien spiller i stress respons. To exoner i genet PIK3CA var valgt ut fordi mutasjoner i dette området er rapportert til å bidra til stråleresistens. DNA metylering ble undersøkt fordi man tror at denne epigenetiske endringen har stor betydning på utvikling av tumor og respons til behandling, på grunn av dens evne til å regulere genuttrykket. På bakgrunn av metyleringsnivået til 84 gener og en feil rate på 12,8%, kunne de strålebehandlede tumorprøvene separeres fra de som ikke hadde vært utsatt for stråling. Gener som IL1A, et proinflammatorisk cytokine og H2AFY, involvert i DNA reparering, var signifikant ulik metylert i ubestrålt tumorvev, sammenlignet med bestrålt tumorvev. Endringene i metyleringen for genene IL1A , H2AFY og PPGB så ut til å være avhengig av dose. Ved hjelp av 342 gener og en feil rate på null, kunne tumorprøvene bli separert i forhold til rapportert respons til strålebehandlingen. Genet ESRRB var høyt metylert i de med rapportert god response, mens det proapototiske genet EGR2 var høyt metylert i de med dårlig respons til strålebehandlingen. Gener involvert i ulike immunrespons signalveier ble funnet ulikt metylert i strålebehandlet tumorvev sammenlignet med ubestrålt tumorvev, samt mellom de gruppene som responderte forskjellig til strålebehandlingen. Det ble funnet en tendens til dårligere respons i de som hadde TP53 mutert i tillegg til de ugunstige SNP ene i MDM2 eller MDM4, eller som hadde en mutasjon i PIK3CA. Gener involvert i signalveier forbundet med immunrespons ble funnet ulik methylert i strålebehandlet tumorvev sammenlignet med ikke strålebehandlet tumorvev, i tillegg til i de ulike responsgruppene. Disse resultatene viser at både genetiske og epigenetiske endringer har innvirkning på responsen til stråleterapi, og at ioniserende stråling påvirker metyleringen i både gener og deres signalveier.