Noncoding regulatory mutations contribute to the aberrant gene expression profile of neuroblastomas

Kanker begint wanneer de instructies binnen een cel fout gaan, waardoor deze ongecontroleerd groeit. Decennialang hebben wetenschappers naar deze fouten gezocht door de eiwitcoderende secties van het genoom te lezen, de delen van het DNA die fungeren als blauwdrukken voor het bouwen van de machinerie van het lichaam. Echter, bij een specifieke en dodelijke kinderziekte genaamd neuroblastoom, die zich vormt in de bijnieren of langs de ruggengraat, zien deze traditionele blauwdrukken er vaak verrassend schoon uit. Onderzoekers hebben zeer weinig terugkerende fouten gevonden in de eiwitmakende genen van hoogrisicotumoren. Deze stilte in de coderende regio's suggereert dat de echte boosdoeners elders verborgen kunnen zijn, in de uitgestrekte stroken DNA die niet coderen voor eiwitten, maar in plaats daarvan fungeren als schakelaars, dimmers en volumeknoppen voor de genen. Deze niet-coderende regio's bepalen wanneer en hoe sterk een gen wordt aan- of uitgezet, en als zij beschadigd zijn, kan het gedrag van de cel net zo drastisch veranderen als wanneer een blauwdruk verscheurd zou zijn.

Een team van onderzoekers aan de University of Alabama at Birmingham zette zich in om deze verborgen fouten in neuroblastoom te vinden. Ze richtten zich op een fenomeen genaamd allelspecifieke expressie, wat optreedt wanneer een cel één kopie van een gen anders gebruikt dan de andere. Bij een gezond persoon produceren de twee kopieën van een gen meestal vergelijkbare hoeveelheden eiwit. Maar bij kanker, als een mutatie de schakelaar die één kopie beheert verstoort, kan die kopie worden uitgeschakeld of overactief worden, terwijl de andere normaal blijft. Door de activiteit van deze genparen in tumorafnames te vergelijken met gezonde bijnierweefsels, konden de wetenschappers aanwijzen welke genen door de kanker verkeerd worden beheerd. Ze stelden vervolgens een kritische vraag: werden deze verkeerd beheerde genen gedreven door grootschalige chromosomale verliezen of winsten, wat gebruikelijk is bij deze ziekte, of werden ze gedreven door minuscule, specifieke mutaties in de niet-coderende regulatoire schakelaars?

De onderzoekers analyseerden genetische gegevens van 156 kinderen met neuroblastoom en vergeleken dit met 220 monsters van normaal bijnierweefsel. Ze identificeerden 1.363 genen die dit specifieke patroon van wanbeheer vertoonden, uitsluitend in de tumoren. Deze genen waren niet willekeurig; ze waren zwaar betrokken bij de ontwikkeling van het sympathisch zenuwstelsel en de adrenerge celtoestand, wat de specifieke identiteit is die neuroblastoomcellen vaak aannemen. Hoewel veel van deze misbeheerde genen inderdaad gekoppeld waren aan grote chromosomale fouten, ontdekte het team een significante groep die zich bevond in regio's van het genoom met normale kopieiaantallen. Deze bevinding was cruciaal omdat het bewees dat iets anders dan grootschalige chromosomale schade deze genen deed functioneren.

Bij het dieper graven in deze kopie-aantal-neutrale regio's, vonden de wetenschappers dat de misbeheerde genen omringd werden door een hogere dichtheid van somatische mutaties—nieuwe genetische fouten die ontstaan in de tumor maar niet erfelijk zijn. Deze mutaties waren niet willekeurig verspreid; ze waren geconcentreerd in open chromatine-regio's, wat de delen van het DNA zijn die toegankelijk en actief zijn in neuroblastoomcellen. De onderzoekers gebruikten vervolgens computermodellen om te voorspellen hoe deze mutaties de bindingsplaatsen voor transcriptiefactoren beïnvloedden, de eiwitten die fungeren als meesterschakelaars om genen aan of uit te zetten. Ze ontdekten dat deze mutaties frequent de bindingsplaatsen voor een specifieke transcriptiefactor genaamd GATA3 verstoorden.

GATA3 is een belangrijke regulator die helpt bij het behoud van de adrenerge identiteit van neuroblastoomcellen. De studie toonde aan dat wanneer de niet-coderende mutaties de GATA3-bindingsplaatsen nabij bepaalde genen braken, die genen vaak deel uitmaakten van het GATA3-regulerende netwerk. Een opmerkelijk voorbeeld was een gen genaamd KMT2C, dat fungeert als een tumorsuppressor. De onderzoekers ontdekten dat tumoren met mutaties in de niet-coderende regio's nabij KMT2C, die de GATA3-binding verstoorden, significant lagere niveaus van het KMT2C-eiwit hadden. Dit suggereert dat de kankercellen deze minuscule, niet-coderende mutaties gebruiken om een beschermend gen uit te schakelen, waardoor ze effectief de natuurlijke verdediging van de cel ontwapenen.

De studie concludeert dat niet-coderende regulatoire mutaties een belangrijke, maar vaak over het hoofd geziene drijfveer van neuroblastoom zijn. Door te focussen op hoe genen tot expressie komen in plaats van alleen te zoeken naar gebroken eiwitblauwdrukken, hebben de onderzoekers een nieuwe laag van genetische complexiteit blootgelegd. Ze toonden aan dat deze tumoren vaak vertrouwen op subtiele veranderingen in de schakelaars die de genactiviteit controleren, met name die die door GATA3 worden beheerd, om hun groei en overleving te stimuleren. Dit werk biedt een nieuwe kaart voor het begrijpen van de ontwikkeling van neuroblastoom en suggereert dat toekomstige behandelingen mogelijk gericht moeten zijn op deze regulatoire schakelaars, en niet alleen op de eiwitcoderende genen.