Genomic landscape of human melanoma progression

Help

Back »

Details of project

Identifier

112371

Type

Principal investigator

Tímár, József

Title in Hungarian

Az emberi melanóma progressziójának genomikai elemzése

Title in English

Genomic landscape of human melanoma progression

Keywords in Hungarian

bőr melanóma, exome analízis, kópiaszám variáció, klonális fejlődés, áttétképzés

Keywords in English

skin melanoma, exome analysis, copy number variation, clonal progression, metastasis

Discipline

Public health, health services, environmental and occupational medicine, epidemiology, medical ethics (Council of Medical and Biological Sciences)	50 %
Ortelius classification: Oncology
Genomics, comparative genomics, functional genomics (Council of Medical and Biological Sciences)	50 %

Panel

Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology

Department or equivalent

Dept. of Pathology (Semmelweis University)

Participants

Balázs, Margit
Bálint, Bálint László
Barbai, Tamás
Bugyik, Edina
Enyedi, Ágnes
Garay, Tamás Márton
Kenessey, István
Molnár, Eszter
Rásó, Erzsébet
Rusz, Orsolya
Vízkeleti, Laura

Starting date

2015-01-01

Closing date

2019-12-31

Funding (in million HUF)

39.704

FTE (full time equivalent)

7.53

state

closed project

Summary in Hungarian

A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A tervezett kutatások során az emberi bőrmelanóma genetikai progresszióját kívánjuk meghatározni, amihez boncolási anyagot kívánunk felhasználni. A vizsgálatba minimum 10 boncolt esetet gyűjtünk, ahol B-RAF- (3), N-RAS-(3) mutáns és kettősvad (4) esetek lesznek. Esetenként a primer tumor, nyirokcsomó áttét, valamint a főbb szervi áttétek (máj, tüdő, agy) genetikai eltéréseit térképezzük fel (teljes exome-mutáció és kópiaszám analízis) és meghatározzuk az individuális daganatok klonális progresszióját. Meg kívánjuk határozni a limfatikus és hematogén áttétképzés genetikai feltételeit is illetve azt is kívánjuk vizsgálni, hogy a genomikai/klonális progresszió a relatíve kicsiny primer tumor heterogenitásának vagy a disszemináció során fellépő heterogenitásnak tudható-e be. További kérdésünk, hogy az egyes szervi áttétek keletkezésének eltérő genetikai alapjai vannak-e. Vizsgálataink arra is választ fognak adni, hogy a különféle áttétek esetében az un. driver mutációk (B-RAF/N-RAS) melyek terápiás célpontok, mennyiben stabilak a progresszió során illetve hogy ebből a szempontból az egyes szervek áttétei hasonlóan viselkednek-e.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A jelenlegi felfogás az hogy a primer és áttéti daganat igen nagyfokú genetikai hasonlóságot mutat, ami alig változik a progresszió során. Ezért okozott nagy meglepetést amikor megjelentek az első vizsgálatok az emberi pancreasrák, leukémia és veserák esetében amelyek leírták ezen daganatok nagyfokú genetikai heterogenitását és klonális fejlődését ami végső soron az áttétek kialakulásához és a beteg halálához vezet. Ezen folyamatba engednek betekintést azok a vizsgálatok is, amelyek során a primer tumorokat hasonlítják az áttétekhez egyes gének jellegzetes hibái tekintetében, amelyek arra utalnak, hogy az áttétek igen gyakran megváltoznak a primer tumorhoz képest. Ezen vizsgálatok feltétele az hogy rendelkezzünk a progrediált emberi daganatokat reprezentáló biobankokkal. Hazánkban a boncolási ráta magas volta miatt (40-70%) lehetőség van ilyen biobankok alapítására. Míg az egyes gyakori szolid daganatok esetében a korai kevéssé áttétképző primer tumor mérete centiméteres nagyságú, addig a bőr melanómája esetében a mm átmérőjű un. korai daganat esetében is nagy áttét-rizikóval kell számolni, ami miatt a melanóma a legagresszívabb emberi daganat. Azt gondoljuk ezen daganat genetikai feltérképezése nemcsak a melanóma hanem más áttétképző daganat képességeinek tisztázásához is hozzá segíthet. Másrészt jelenleg nem ismert melanóma esetében (és más daganatok esetében sem) az hogy a limfatikus áttétek forrásai lehetnek-e a szisztémás szervi áttéteknek, vagy ez utóbbiak a primer daganat direkt leszármazottai. A kétféle daganatféleség genetikai összehasonlítása választ adna erre az alapvető rákbiológiai kérdésre is.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az áttétképzés, daganatprogresszió okozza a daganatos betegek halálát ugyanakkor biológiai és genetikai ismereteink legfőbb alapja mind a mai napig a kiindulási daganat. Ezért talán nem véletlen, hogy az áttéti daganatok kezelése messze nem olyan sikeres mint a korai fázisú daganatoké. Másrészről, az áttéteket gyakran egyenlőknek tekintik, holott azok lehetnek lokoregionális recidívák, nyirokcsomó áttétek vagy szervi áttétek, melyek közül az utóbbiak vezetnek gyakorlatilag a beteg halálához. Amennyiben megismernénk a melanóma áttétképzésének genetikai hátterét, ez nemcsak ezen daganat kezelésének kidolgozására adna újabb lehetőségeket, hanem esetleg a szervi áttétképzés genetikai/genomikai feltételeinek megismeréséhez is közelebb vezethetne. A szervi áttétek eredetének tisztázása (primer tumor vagy nyirokcsomóáttét) abban segíthetne hogy tisztázzuk a nyirokcsomó áttétek jelentőségét ami hatással lehet ezek jelentőségének pontosabb megítélésében és így a klinikai protokollok finomításában. A melanóma esetében a jelenlegi klinikai gyakorlat a primer daganat alapvető gyakori un. driver mutációinak meghatározására és ezek célzott terápiájára épül. A melanóma áttétek genomikai megismerése nem csak eredetüket tisztázhatná hanem újabb specifikus áttéti daganatra jellemző célpontokat jelölhetne ki, ami segíthetné a melanóma terápia továbbfejlesztését.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Sajnos a rosszindulatú daganatok áttétes formái mind a mai napig nehezen kezelhetők aminek az egyik oka az hogy genetikai ismereteink elsősorban a kiindulási daganatból származnak másrészt az hogy az áttétképzési folyamat genetikai alapjai is alig ismertek. A bőr festékes rosszindulatú daganata (melanóma) az egyik legagresszívebb emberi daganat és az utóbbi időkig áttétes formájában alig volt kezelhető. Jelen kutatás célja ennek a daganatféleségnek a teljes genetikai feltérképezése a beteg halálát okozó áttétes végstádiumában. Kutatásaink során a festékes rosszindulatú bőrdaganatban elhalálozott egyének boncolási mintáit kívánjuk használni, melyekből fel kívánjuk állítani ezen daganat teljes genetikai hibatárát, ennek dinamikus változását az egyes szervi áttétekig illetve a befogadó szervezet haláláig. A teljes melanóma genom elemzését a kódoló szakaszok szekvencia- és kópiaszám eltéréseivel végezzük. Vizsgálatainktól azt várjuk hogy ennek révén egyrészt betekintést nyerünk az áttétképzéshez vezető folyamat genetikai alapjaiba másrészt olyan genetikai eltéréseket azonosíthatunk amelyek az áttétes festékes daganat hatékonyabb kezelését teheti később lehetővé.

Summary

Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
For the first time we want to define the genetic progression of human skin melanoma using an autopsy biobank. The autopsy biobank will consist of BRAF-, NRAS and double wild type cases (3 of each, a minimum of 9 in total) respectively. In each case we will determine genetic alterations by using copy number variation analysis and whole exome-sequencing in the primary tumor, in lymphatic metastasis and in viseral metastases (liver, lung and brain). We will compare the lymphatic progression to the visceral one to determine their relations to the primary tumor. We will also analyse the role of intratumoral heterogeneity in the primary versus metastatic tumors. It is a further aim to compare various visceral metastasis types to define the genetic basis of organ selectivity. Our studies will define the stability of driver mutations (as therapeutic targets) during melanoma progression and in various metastatic sites.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The recent perception is that metastasis is highly similar genetically to the primary cancer in other words genetic alterations are relatively stable during tumor progression. However this hypothesis is barely tested in human. That is why it came by surprise how heterogenous are the human primary cancers and how complex is the clonal progression in case of pancreatic-, kidney cancers or leukemia. Comparison of the metastases to the primary tumors for driver mutations in various cancer types demonstrated relatively frequent alterations suggesting that genomic structure of the primary tumors is not stable. Such studies can only based on biobanks of the progressed cancers at autopsy but in most countries it is very difficult due to low autopsy rates. The relatively high autopsy rate in Hungary makes it possible to establish such critically important biobanks providing unique opportunity for Hungarian scientists. While most early human primary cancers with low metatic risks are of centimeter sizes, the primary skin melanoma is of millimeter dimension having high risk of metastasis establishing melanoma as the most aggressive human cancer type. We think that uncovering the genetic progression of human melanoma may also shed light on the genetic background of organ metastatic processes. It is also not known that lymphatic metastases can contribute to the organ metastatic processes or these later ones are direct descendants of the primary tumor. Studies in human melanoma can help to answer such basic cancer biology questions.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
It is paradoxical that metastatic progression is most frequently the cause of patient death however our biological and genetic knowledge on cancer is based mostly on the primary tumor. It is most probably one significant factor behind the rare success of metastasis treatment as compared to the primary tumor. Metastasis is heterogenous biological entity from locoregional recurrences to lymphatic- or visceral metastases. Discovery of the genetic basis of melanoma metastatization can provide not only novel therapeutic targets in this cancer type but may also help to understand the metastatic progression in general. Tracing back the origin of organ metastases (primary cancer versus lymphatic metastasis) can help to understand the real significance of lymphatic metastasis which may result in fine-tuning clinical protocols. In case of melanoma clinical practice is based on the identification of driver mutations resulting in their targeted therapy. Genomic characterization of melanoma metastases not only help to identify their origin but may also define novel metastasis-specific therapeutic targets leading ultimately to novel more effictive therapies.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Treatment of metastatic cancer has a very low success rate due to two basic factors: our genomic knowledge is derived mostly from the primary tumor and the genomic basis of metastatization is poorly known. Pigment cell cancer of the skin (melanoma) is one of the most aggressive human cancer and treatment of its metastatic form was almost impossible till recently. in our study we would like to use human autopsy biobanks to catalog the dynamic alterations of genomic changes in melanoma till the formation of organ metastases and the death of the patient. Our genomic analysis will involve both copy number analysis and mutation testing of all coding genes. We expect that these studies will reveal genetic basis of the metastatic progression of melanoma and can identify novel targets for metastasis-selective therapies.

Final report

Results in Hungarian

Meghatároztuk a BRAF- (46%), NRAS- (20%) és KIT mutációs incidenciát (15%) melanómában. Melanoma metasztázis biobank elemzésével megállapítottuk hogy a BRAF (de nem az NRAS) mutáns allél frekvencia szignifikánsan magasabb az áttétekben aminek hátterében a BRAF gén kópiaszám emelkedése áll. Agyi áttétekben a DNS károsodást kijavító gének kópiaszám fokozódását észleltük. Megállapítottuk hogy az agyi áttétet képező melanómákban fokozott az AQP1 fehérje expresszió aminek hátterében a gén sokszorozódása áll. Tüdőáttétekben fokozott CCL8 expressziót észleltünk amit miR aberrációk okoznak. BRAF mutáns melanómás betegek gyakran rezisztenssé válnak BRAF inhibitorra aminek hátterében fokozott EGFR expressziót és EGFR génsokszorozódást mutattunk ki. A rezisztenciát azonban EGFR inhibitor kombinációs terápiával fel lehetett függeszteni in vitro. Azt figyeltük meg hogy az NRAS mutáns melanómák érzékenyek preniláció gátló szerek iránt (zoledronsav és BHP1222). A HIF1a konstitutívan aktív humán melanómákban. Kimutattuk hogy ZnSO4 kezeléssel blokkolni lehet a HIF1a expressziót aminek következménye az áttétképző képesség csökkenése preklinikai modellben. A melanómás betegek gyakran rezisztensek az immunterápiára aminek egyik mechanizmusa az IFN-jelpálya funkcionális zavara. Modelleztük az IFN rezisztenciát kisérleti modellben és meghatároztunk egy 32-génes IFN rezisztencia génmintázatot.

Results in English

We have identified Hungarian skin melanoma mutation incidence of BRAF (46%), NRAS (20%) and KIT (15%). We have found in metastatic melanoma that BRAF (but not NRAS) mutant allele frequency increased significantly in metastases due to the copy number gain of BRAF. Using a large metastatic melanoma biobank we were able to identify organ metastasis specific chromosomal alterations. In brain metastases we found copy number gains of genes involved in DNA damage responses. Furthermore, we found AQP1 protein overexpression in brain metastatic melanoma which was due also to copy number gain of the gene. In lung metastatic melanoma we have detected CCL8 overexpression linked to regulatory miR alteration. BRAF inhibitor resistance is a serious clinical problem in BRAF mutant melanoma patients. We found that it is partially due to EGFR overexpression (again due to CNA) which can be overcome by EGFR-inhibitor combination therapy. We have also found that NRAS mutant melanoma is sensitive to prenylation inhibitors zoledronic acid and BHP1222. HIF1a is constitutively active in melanoma. We have detected that HIF1a expression can be selectively inhibitied by ZnSO4 which results in decreased metastatic potential. Immunotherapy resistance is also a significant clinical problem frequently due to IFN-signaling abnormalities. We have established an in vitro model of IFN-resistance of human melanoma and determined a 32-gene signature.

Full text

https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=112371

Decision

Yes

List of publications

Doma V, Barbai T, Beleaua MA, Kovalszky I, Raso E, Tímár J.: KIT mutation incidence and pattern of melanoma in central East Europe., Pathol Oncol Res, 2019

Doma V, Karpati S, Raso E, Barbai T, Tímár J: Dynamic and unpredictable changes in mutant allele fractions of BRAF and NRAS during visceral progression of cutaneous malignant melanoma, BMC Cancer 19:786, 2019

Rittler D, Baranyi M, Molnar E, Garay T, Jalsowsky I, Varga I, Hegedus B, Aigner C, Tóvári J, Tímár J.: The antitumor effect of lipophyllic bisphosphonate PHP1222in melanoma models, Int J Mol Sci 20:e4917, 2019

Molnar E, Garay T, Donia M, Baranyi M, Rittler D, Berger W, Timar J: Long term vemurafenib exposure induced alterations of cell phenotypes in melanoma, Int J Mol Sci 20:e4484,2019, 2019

Ladanyi A, Timar J: Immunologic and immunogenomic aspects of tumor progression, Sem Cancer Biol ePUB ahead, 2019

Tímár J, Hegedűs B, Rásó E: The role of lipid signaling in the progression of malignant melanoma, CANCER METAST REV published online 28 May 2018: pp. 1-11., 2018

Kenessey I, Koi K, Horvath O, Cserepes M, Molnar D, Izsak V, Dobos J, Hegedűs B, Tovari J, Timar J: KRAS-mutation status dependent effect of zoledronic acid in human non-small cell cancer preclinical models, ONCOTARGET 7: (48) pp. 79503-79514., 2016