Dynamieke DNA methylatie profielen onderliggen resistentie tegen therapie in kanker.

Een veelvoud aan DNA-methyleringsveranderingen is geassocieerd met de cellulaire respons op therapie tegen kanker. Er is echter niet systematisch onderzocht hoe deze veranderingen ontstaan, of en hoe ze causaal bijdragen aan therapeutische resistentie en wat hun impact in de kliniek is. In deze studie onderzoeken we daarom of en hoe DNA-methyleringspatronen cellulaire expressie en fenotype-veranderingen kunnen onderliggen waardoor cellulaire populaties therapeutische druk kunnen overleven die normaal dodelijk is. De mechanismen die we onderzoeken, lijken verschillende soorten kanker en geneesmiddelen te omvatten en kunnen daarom algemeen toepasbaar en van brede klinische interesse zijn.
We zoeken eerst naar de oorsprong van intratumorale heterogeniteit en naar de biologische gevolgen en klinische impact ervan, met behulp van openbaar beschikbare gegevens van meer dan 7000 kankerpatiënten. Cellulaire heterogeniteit en plasticiteit maken de verwerving van resistentie tegen therapie mogelijk door het aantal beschikbare fenotypen de kankercellen te vergroten, waardoor de kans groter wordt dat sommige cellen de selectieve druk geassocieerd met therapeutische druk kunnen overleven. Aangezien er tot op heden geen consensus is, beginnen we met het identificeren en karakteriseren van metrische maatstaven die geschikt zijn voor de beoordeling van intrinsieke heterogeniteit van kankercellen. We laten zien dat wanorde in DNA-methyloom profielen toeneemt in actieve en regulerende genomische regio's en dat ze geassocieerd zijn met tumorprogressie en lage overlevingskansen. Verder tonen we aan dat het waarschijnlijk de afwijkende expressie is van epigenetische modificerende enzymen - waaronder de Ten-Eleven-Translocation (TET) -enzymen en de DNA-methyltransferases (DNMT) - die ten grondslag liggen aan deze DNA-methyleringsontregeling. Ten slotte vinden we verschillende relevante biologische processen die worden beïnvloed door verhoogde DNA-methyloom-heterogeniteit, waaronder de Epithelial-to-Mesenchymal Transition (EMT), een zeer plastisch cellulair proces waarbij kankercellen differentiëren en stamcelachtige eigenschappen verwerven, zoals pluripotentie, waardaar de cellulaire heterogeniteit ernstig toenemend.
In een tweede deel van deze studie beoordelen we de rol van DNA-methylatie tijdens EMT, waarvan herhaaldelijk is aangetoond dat het ten grondslag ligt aan therapeutische resistentie in kanker. We gebruiken cellijnen (n = 10) uit verschillende lichaamsweefsels die via EMT resistentie hebben verworven tegen verschillende gerichte en op chemotherapie gebaseerde behandelingen en onderzoeken of en hoe DNA-methyleringsveranderingen causaal ten grondslag kunnen liggen aan het EMT-fenotype. We laten zien dat gemeenschappelijke DNA-methylatie veranderingen, mogelijk gemedieerd door de demethylerende TET-enzymen, een omkeerbaar EMT-gemedieerd fenotype van therapieresistentie aansturen tegen een breed scala aan therapeutische middelen. We laten zien dat het verlies van EMT-expressie en / of DNA-methyleringsprofielen resulteert in het verlies van therapieresistentie. Bovendien valideren we in de kliniek dat DNA-methyleringsveranderingen EMT-gemedieerde resistentie tegen sorafenib stimuleren bij patiënten met gevorderde hepatocellulaire kanker (HCC). We ontwikkelen een op capture-gebaseerd protocol om DNA-methylatie in kleine hoeveelheden circulerend tumor-DNA (ctDNA) te onderzoeken bij HCC-patiënten die met sorafenib worden behandeld. Door methyleringsveranderingen in EMT-genen in serieel bemonsterd ctDNA te volgen, kunnen we de tumorrespons en verworven resistentie tegen sorafenib voorspellen.
Samen tonen onze in silico-, in vitro- en patiëntgegevens het belang aan van DNA-methylatie bij het aansturen van heterogeniteit en plasticiteit van tumoren, tumorprogressie en het verwerven van resistentie door middel van EMT.