Inzicht in het ontstaan van kleine DNA-duplicaties en andere breuk-geïnduceerde mutaties in kanker

Achtergrond en probleemstelling

Kanker is een ziekte die voornamelijk veroorzaakt wordt door de accumulatie van mutaties in het genoom. Een belangrijke bron voor deze mutaties zijn DNA dubbelstrengsbreuken, waarbij chromosomen fysiek uit elkaar vallen in twee stukken. De cel heeft verschillende mechanismen om deze breuken weer te repareren, maar helaas treden hier regelmatig fouten bij op waardoor er mutaties kunnen ontstaan die kanker veroorzaken. Translocaties bijvoorbeeld, ontstaan wanneer twee verschillende chromosomen aan elkaar geplakt worden; geschat wordt dat dit type mutatie ~20% van de kankergevallen veroorzaakt. Recentelijk heb ik ontdekt dat kleine DNA duplicaties ook het gevolg zijn van foutief herstel van breuken in het DNA. Ook deze duplicaties spelen een belangrijke rol in kanker: ongeveer een kwart van de patiënten met acute myeloide leukemie (AML), een agressieve vorm van bloedkanker, hebben zo’n duplicatie in het zogenaamde FLT3 gen. Door deze mutatie krijgen onrijpe witte bloedcellen het signaal om ongeremd te groeien waardoor ze ophopen in het beenmerg alwaar ze de aanmaak van normale bloedcellen hinderen; dit draagt bij aan het agressieve karakter van AML. Onderzoek heeft uitgewezen dat foutief herstel van DNA-breuken veroorzaakt wordt door twee verschillende cellulaire processen: non-homologous end-joining (NHEJ) en polymerase Theta-mediated end-joining (TMEJ). We hebben echter nog maar weinig inzicht in hoe deze twee processen bijdragen aan mutaties die kanker veroorzaken en het is nog compleet onduidelijk welke factoren nodig zijn voor het vormen van kleine duplicaties zoals waargenomen in AML.

Ironisch genoeg worden dubbelstrengsbreuken ook met opzet geïntroduceerd tijdens de behandeling van kanker, omdat vooral kankercellen gevoelig zijn voor (deze vorm van) DNA-schade. Helaas kan dit ook resulteren in nieuwe mutaties in gezonde of kankercellen, wat kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe tumoren bij behandelde patiënten.

Onderzoeksrichting

Recent heb ik unieke tools ontwikkeld om in cellen te kunnen kijken in welke mate de twee mutatie-veroorzakende end-joining mechanismen (NHEJ en TMEJ) bijdragen aan het herstel van één enkele dubbelstrengs DNA-breuk. Hierdoor heb ik onder andere ontdekt dat kleine duplicaties veroorzaakt worden door opvulling van specifieke type breuken met nieuwe stukjes DNA, en dat dit proces gereguleerd wordt door een tot nu toe onbekende activiteit van NHEJ. Zeer recentelijk heb ik een factor ontdekt die hierbij een essentiële rol speelt, maar we weten nog maar weinig over de betrokkenheid van andere factoren en hoe deze activiteit bijdraagt aan andere mutagene uitkomsten van dubbelstrengsbreuk herstel.

Onderzoeksopzet

Om deze grotendeels onbekende biologie te kunnen bestuderen heb ik onlangs een methode ontwikkeld die specifiek het ontstaan van kleine duplicaties zichtbaar maakt en heb ik cellijnen gemaakt waarmee we eiwitten kunnen identificeren die betrokken zijn bij NHEJ en TMEJ. Deze technologieën wil ik gaan gebruiken om op zoek te gaan naar factoren die een rol spelen bij de formatie van duplicaties en de rol van de factoren die ik recent ontdekt heb in detail in kaart te brengen. Ook zal ik verschillende typen breuken maken in het genoom en resulterende translocaties en mutatieprofielen bestuderen. Om nog meer inzicht te krijgen in de mechanismes die kleine duplicaties veroorzaken zal ik mutaties in AML-patiënten in detail karakteriseren, gebruik makend van de in het LUMC en VUMC aanwezige biobanken met meer dan 2500 AML-gevallen, om vervolgens die biologie in celkweek na te bootsen. Tot slot wil ik analyseren hoe de verschillende reparatie-mechanismen die hier genoemd zijn bijdragen aan het ontstaan van secundaire tumoren na behandeling met breuk-inducerende middelen. Daarvoor ga ik cellen blootstellen aan bestraling en cytostatica die breuken introduceren en vervolgens kijken naar de gevoeligheid en mutatieprofielen van cellen die een bepaald reparatie-gen missen of behandeld zijn met specifieke remmers van deze reparatiemechanismen.

Verwachte uitkomst

Met dit onderzoeksvoorstel verwacht ik de factoren te identificeren die verantwoordelijk zijn voor de formatie van kleine duplicaties die oorzakelijk zijn in bepaalde vormen van kanker. Deze duplicaties zijn mogelijk het topje van de ijsberg; ik verwacht dat de betrokkenheid van dit proces bij het ontstaan van andere soorten kankerverwekkende mutaties veel groter is. Dit hoop ik aan te tonen door de bijdrage van deze factoren aan verschillende uitkomsten van dubbelstrengsbreuk-herstel in kaart te brengen. Ik verwacht dat dit fundamentele werk ons nieuw inzicht geeft in hoe herstel van chromosomale breuken kan leiden tot kanker, en ik hoop nieuwe factoren te identificeren die in de toekomst potentieel geremd kunnen worden om zo de efficiëntie en veiligheid van bestaande behandelmethodes te verbeteren.