PLoS ONE: aldersspecifikke incidens data indikerer Fire Mutationer er nødvendige for human Testikel Cancers

Abstrakt

Normale humane celler kræver en række genetiske ændringer til at gennemgå malign transformation. Direkte sekventering af humane tumorer har identificeret hundredvis af mutationer i tumorer, men mange af disse er tænkt at være unødvendig og et resultat af, snarere end en årsag til, tumoren. Det nøjagtige antal mutationer til at transformere en normal human celle i en tumor celle er ukendt. Her viser jeg, at mandlige gonadale kimcelletumorer, den mest almindelige form for testikelkræft kræftformer, opstår efter fire mutationer. Jeg udlede dette ved at konstruere en matematisk model baseret på den multi-hit hypotese og sammenligne det med de aldersspecifikke incidens data. Dette resultat er i overensstemmelse med den multi-hit hypotese, og indebærer, at disse kræftformer er genetisk eller epigenetisk er forudbestemt ved fødslen eller en tidlig alder

Henvisning:. Brody JP (2011) aldersspecifikke incidens data indikerer Fire mutationer nødvendig for menneskers testikelcancere. PLoS ONE 6 (10): e25978. doi: 10,1371 /journal.pone.0025978

Redaktør: Amanda Ewart Toland, Ohio State University Medical Center, USA

Modtaget: Juni 11, 2011; Accepteret: 14. september 2011; Udgivet: 6 oktober 2011

Copyright: © 2011 James P. Brody. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Finansiering:. Denne forskning blev støttet af University of California. De finansieringskilder havde ingen rolle i studie design, indsamling og analyse af data, beslutning om at offentliggøre, eller forberedelse af manuskriptet

Konkurrerende interesser:.. Forfatterne har erklæret, at der ikke findes konkurrerende interesser

Introduktion

Tumorer stammer fra en enkelt celle efter celle akkumulerer en række mutationer [1] – [6] ifølge den multi-hit model af kræft [2], [3]. Disse mutationer kan indbefatte mange forskellige typer af ændringer i DNA, herunder methylering, enkelt basesubstitutioner, og duplikationer eller deletioner af kromosomer. Det nøjagtige antal af mutationer, der kræves for at omdanne en normal human celle i en tumor celle er ukendt [7].

direkte DNA-sekventering af tumorer har etableret en øvre grænse for antallet af mutationer, der kræves til at transformere en celle. Sekventering af bryst- og tarmkræft identificeret omkring 80 mutationer i en typisk tumor [8]. Yderligere statistiske analyse antydede, at mindre end 15 af disse 80 er nødvendig [8]. Et andet eksperiment sekventeret 623 kendte cancerrelaterede gener i et sæt af 188 lunge-adenocarcinomer viser mere end 1000 somatiske mutationer. Yderligere analyse identificeret 26 gener, der er indgået for at være involveret i carcinogenese [9].

En lavere grænse for antallet af mutationer til at omdanne en normal celle er blevet etableret i laboratoriet. En human tumorcelle blev syntetiseret fra normale humane celler (både epiteliale og fibroblast celler) ved ændring af ekspressionen af ​​kun tre gener, som bevirkes fire biokemiske veje [6], [10]. Denne tumor celle vises de klassiske karakteristika for en human tumorcelle:. Forankringsuafhængig vækst og dannelse af tumorer i nøgne mus

Det er en udbredt opfattelse, at colontumorer kræver fire til seks mutationer [11]. Dette er baseret på at sammenligne Armitage og Doll ligning, [12], til aldersspecifikke incidens data. Men der findes mange problemer med dette [13]: den ikke beskrive dataene med alderen; det øger uden øvre grænser; og det tager ikke hensyn til klonal ekspansion.

testikelforandringer gonadale kønsceller cancere adskiller sig fra andre faste tumorer i en række måder. Først forekomsten af ​​gonadale kimcelletumorer er størst på omkring 30 år, og falder til blot en håndfuld tilfælde diagnosticeret hos mænd i deres 70. Til sammenligning var forekomsten af ​​mange andre faste tumorer stiger med alderen. Sekund, kombinationskemoterapi er særlig effektiv mod testikulære gonadale kimcelletumorer i forhold til andre faste tumorer. Endelig mest solide tumorer har oprindelse i somatiske celler, mens de fleste testikelkræft kræftformer opstår i kimceller.

Årsagen til testiklerne gonadale kimcelletumorer er ikke kendt [14], [15]. Ingen kendte miljømæssige faktorer påvirker dets udvikling [16]. Der findes en familie link, stærkere i brødrene end far og sønner [17]. Testikelcancere viste den tredje højeste arvelighed, men de fleste tilfælde er sporadiske [18]. Alder standardiserede satser for testikelkræft er steget i de seneste årtier i USA [19] og i andre dele af verden [20].

Den stærkeste sammenslutning af testikelkræft med andre medicinske tilstande er med kryptorkisme, hvor testiklerne ikke ned i pungen ved fødslen. Ca. 5 til 10% af dem, der udvikler testikelkræft havde kryptorkid ved fødslen, sammenlignet med ca. 2 til 5% i den almindelige befolkning [21]. Det vides ikke, om kryptorkisme forårsager testikelkræft kræft, eller om begge er forårsaget af en fælles faktor.

Findes

To hypoteser for oprindelsen af ​​testikelkræft kræftformer. Den første tyder på, at testikelcancere bestemmes

i livmoderen

eller i en tidlig alder [22], [23]. En anden er, at miljømæssig eksponering for kræftfremkaldende stoffer i hele dem levetid fører til udvikling af en tumor, mens genetik ændrer denne miljørisiko [24]. Selv om denne anden hypotese bredt menes, eksisterer få beviser, at miljømæssige mutagener forårsager nogen af ​​punktmutationer observeret i humane kræftformer [25].

Test af disse hypoteser er blandet. En retrospektiv undersøgelse af svenske mænd fandt, at de, der blev opereret før en alder af 13 at rette nedsunkne testikler havde en lidt lavere risiko for at udvikle testikelkræft end dem, der ikke opereres [21]. Dette antyder, at testikelcancere ikke kunne være forudbestemt ved fødslen. Men en lignende undersøgelse, som indeholder næsten dobbelt så mange emner i Danmark fandt ingen signifikant ændring i forekomsten af ​​testikelkræft efter operation for nedsunkne testikler [26].

To genome wide associationsstudier identificeret adskillige mutationer, der disponerer til udvikling af testikeltumorer [27], [28]. Disse mutationer er placeret i to gener,

KITLG

og

SPRY4

, der er kendt for at spille en rolle i testikelkræft udvikling. Den anslåede pr allel odds ratio for disse er blandt de højeste fundet for enhver genom forening bred undersøgelse af en kræft [29].

Tidligere har andre forsøgt at forstå aldersspecifikke incidens af kræft med forskellige tilgange. Herunder brug af en Weibull fordeling for lungekræft [30], analysere aldersspecifikke acceleration af kræft [31], [32], modificere Armitage Doll ligningen direkte med en dæmpende sigt [33] – [35], og ved hjælp af en flertrins model med aldersbetinget adfærd at estimere antallet af mutationer, der kræves for at udvikle brystcancer [36]. En analyse af danske og norske kræftregistre tyder på, at testikelkræft aldersspecifikke incidens data bedst modelleret med en skrøbelighed effekt, hvor en del af befolkningen er ikke-modtagelige for at udvikle kræft [37].

Formålet med dette papir er at bestemme, hvor mange mutationer der kræves for at udvikle testikelkræft. Den fremgangsmåde er at sammenligne det forventede aldersspecifikke incidens, baseret på den multi-hit modellen, med den målte aldersspecifikke incidens for testikelkræft kræftformer.

Resultater

aldersspecifikke incidens for testikelcancere er præcist beskrevet ved ligning (1) med fire mutationer. Figur 1 viser en sammenligning mellem ligning (1) og data for alle otte år. Dette indebærer også, at testikelcancere udvikle sig fra en enkelt progenitorcelle. Tabel 1 viser de parametre og skøn over fejl, og p-værdi for de enkelte år.

De sorte cirkler repræsenterer den målte forekomst, fejlen barer er 95% konfidensintervaller, og den grønne fast linje repræsenterer forekomsten forudsagt af multi-hit model med fire mutationer.

Figur 2 sammenligner de bedste passer til modeller med tre, fire og fem mutationer. Modellen med fire mutationer var den bedste pasform. Tre mutationer forudsat en lidt dårligere pasform i 15-20 og 65-75 aldersgruppe, mens fem mutationer tilvejebragt en meget værre pasform i intervallet 10-25 år, men var ikke til at skelne fra 4 mutationer i 50-75 aldersgruppe.

for at understrege forskellene kun regioner før en alder af 25 og efter det fyldte 50, er vist. Alle tre modeller viser tæt tilpasning til dataene mellem 25 og 50 år. Modellerne med fire mutationer og fem mutationer er identiske efter det fyldte 50.

Jeg målte sandsynligheden for videre til den næste fase på året. Denne foranstaltninger kun sandsynligheden for en mutation, der ville fremme den præcancer væv endnu et skridt i retning af kræft, og er ikke direkte sammenlignelige med målte mutationsrater. Menneskelige kønsceller mutationer varierer genomet ved størrelsesordener [38]; en enkelt mutation sats kan ikke præcist karakterisere processen.

Diskussion

Den tilgang præsenteres her implicit antager, at sandsynligheden for videre til næste fase, som kan være forbundet med en mutation sats, er konstant . Kompleksitet kunne føjes til modellen ved at ændre denne antagelse. Mindst to forskellige mekanismer kunne modificere mutationshastighed i en præ cancervæv. Første, mutatorfænotype hypotese antyder, at en af ​​de første mutationer på vejen til en tumor skal resultere i en højere mutation rate [39]. For det andet kan fremgangsmåden ifølge klonal ekspansion udvide puljen af ​​celler på et tidspunkt, hvilket øger sandsynligheden for videre til næste trin [40] – [42]. Da den enkleste antagelse, en konstant sandsynlighed for at fremme, var tilstrækkeligt i dette tilfælde, har jeg ikke udvide modellen til at omfatte en skiftende sandsynlighed sats.

De mutationer er mest sandsynlige kromosomale tilføjelser eller sletninger, ikke enkelt base-ændringer . Cytogenetiske studier af seminom og ikke-seminoma testikelcancere har vist konsistente ændringer til flere kromosomer. Især amplifikation af en region af kromosom 12p, der indeholder adskillige kendte gener er ofte til stede [43].

Selvom fire mutationer er nødvendige for udviklingen af ​​testikelcancere, kan disse mutationer ændrer mere end fire gener og biokemiske pathways . Derudover kan andre mutationer, som ikke hastighedsbegrænsende forekomme. Ikke hastighedsbegrænsende mutationer ville ikke ændre de aldersspecifikke incidens data.

Et potentielt problem med denne analyse er, at den forudsætter nogen væsentlig langsigtet ændring i antallet af testikelkræft kræftformer. Dataene SEER-9 viser, at alder-justerede testikelkræft er steget med omkring 7% om året fra 1973 til 2008. Standarden måde til håndtering af tidsmæssige variation i kræfttilfælde er først at analysere alder modeller, så alder plus afdrift, så alder-periode og /eller alder-kohorte, og endelig alder-periode-kohorte modeller [44], [45]. Hver tilsætning af kompleksitet kræver yderligere parametre og reducerer antallet af frihedsgrader. Da alderen eneste model leveres en god pasform til dataene, blev yderligere kompleksitet undgås. fremtidige arbejde med den aldersspecifikke incidens af testikelkræft bør dog undersøge, om disse mere komplekse modeller giver alternative løsninger.

Yderligere kompleksitet til modellen kunne tilføjes på forskellige måder. For at tage højde for nedarvede mutationer, kunne modellen består af to uafhængige vilkår svarende til ligning (1). Den første sigt vil kræve mutationer og den anden sigt ville kræve mutationer. For at tage højde for flere veje, som testikelkræft kan udvikle, kan modellen udvides ved at tilføje en ny embedsperiode med uafhængige parametre fra den første. Ingen af ​​disse tilføjelser er nødvendige, men de data udelukker ikke muligheden for disse mere komplekse processer.

Aftalen mellem aldersspecifikke incidens data og ligning (1) indebærer, at testikelkræft kræftformer har en enkelt potentiel stamfader celle. Dette står i kontrast med de fleste andre typer af solide tumorer, som menes at have mange, mange potentielle stamceller.

aldersspecifikke incidens data indebærer, at testikelkræft kræftformer er forudbestemt før en alder af 10 og muligvis ved fødslen enten gennem genetisk eller epigenetisk [46] disposition. Disse data er uforenelig med en hypotese, hvor eksponering for miljømæssige kræftfremkaldende stoffer i modne mænd føre til udvikling af en testikel tumor.

Metoder

Den multi-hit model beskriver en række uafhængige Bernoulli forsøg. Et tilfældigt tal trækkes mellem nul og én. Hvis tallet er mindre end, forekommer nogen mutation; hvis mere end en mutation forekommer. Processen gentages periodisk. Når mutationer er forekommet, en tumor begynder at udvikle sig. Tumor vokser gennem klonal ekspansion, over en yderligere tid, indtil det er påvist som en cancer. Den tid kan også være relateret til normal vækst og udvikling. Denne proces sker i en brøkdel af befolkningen,, der ligger et sted mellem 0 og 100%.

Under disse antagelser, sandsynlighedsfordelingen for den alder, hvor testikelkræft diagnosticeres bør gives af løsningen på det række uafhængige Bernoulli forsøg, den negative binomialfordeling [47] (1) aldersspecifikke incidens måler faren funktion, som er relateret til ligning (1) ved at dividere med forholdet af den samlede befolkning til udsatte befolkning. Mænd, der tidligere har været diagnosticeret med testikelkræft fjernes fra den samlede befolkning til at producere den udsatte befolkning. Effekten af ​​dette er højst på og kan ignoreres i dette tilfælde, da det er overvældet af den fremherskende prøveudtagning fejl.

En antagelse i udledningen af ​​ligning (1) er, at en enkelt stamcelle findes i væv. Hvis der findes mange progenitorceller, som menes at forekomme i de fleste væv, derefter kræft er diagnosticeret, når den første af disse mange celler udvikler sig til en tumor. I dette tilfælde, den første ordre statistik, eller distribution af det mindste af ligning (1) er den korrekte ligning til at sammenligne med de aldersspecifikke incidens data. Dette ville følge en Weibull fordeling [30], [48].

Jeg testede den hypotese, at de aldersspecifikke incidens data om testiklerne kimcelletumorer er præcist beskrevet ved ligning (1). Jeg udførte en mindste kvadraters tilpasning til bestemmelse af parametrene for ligningen for alle otte år i datasættet. Så jeg beregnet den reducerede chi-kvadreret værdi og den tilhørende p-værdi på grund af antallet af frihedsgrader, 53. p-værdi, der er vist i tabel 1, angiver sandsynligheden for, at hypotesen ikke bør afvises.

i USA, tilsyns-, epidemiologi, og End Resultater (SEER) Program af National Cancer Institute (NCI) indsamler data om kræfttilfælde. Det anses guld-standard for datakvaliteten for kræftregistre. Det indsamler data fra 17 forskellige geografiske regioner, som omfatter godt 26% af befolkningen i USA [49]. Disse data kombineres med US Census data om befolkningen, som en funktion af alder, i disse 17 geografiske områder til at beregne aldersspecifikke incidens.

Jeg opnåede testikelkræft kønsceller tumor aldersspecifikke incidens data ved hjælp af SEER * Stat (version 6.6.2) [50]. SEER * Stat tillader en at nemt forespørge SEER sagsakter. Jeg forespørges databasen offentliggjort i november 2009, SEER 17 forekomst database med enkelte aldre til 85 [49]. Dette var den seneste tilgængelige. Jeg har valgt alle indberettede tumorer, der var hos mænd, der ligger i testiklerne, og klassificeret som kim celle eller trofoblastiske tumorer eller neoplasmer gonader, i alt 16,291 sager. Jeg udelukkede testikelcancere diagnosticeret før de fylder 13, fordi de var sandsynligvis på grund af en anden mekanisme, blev 88 sager udelukket. De diagnosticeret før de fylder fire er nok teratom-blommesækken tumorer [43]. Disse udgør kun en lille del (0,5%) af alle testikelcancere. (Fra 2000 til 2007, indspillet Seer-17 registre 88 testikelkræft kønsceller kræft hos patienter under 13, 72 af disse kræftformer blev diagnosticeret i de første 36 måneder af livet.)

Jeg sammenlignede ligning (1) til aldersspecifikke incidens data indsamlet af SEER-17 kræftregistre i perioden 2000-2007 på forekomsten af ​​testikelkræft kræftformer, både seminomer og ikke-seminomer. Jeg sammenlignet disse ligninger med data fra alderen 13 til 70 år og med antallet af mutationer,, der spænder fra tre til fem. Sammenligningen blev foretaget ved at minimere den reducerede chi-kvadreret værdi [51] ved hjælp af Generaliseret Reduceret Gradient algoritme. Denne algoritme er egnet til at minimere ikke-lineære funktioner. Jeg brugte flere udgangspunkter for at sikre, at løsningen givet var den globale minimum og ikke et lokalt minima.

Jeg beregnede skøn over fejl ved at måle parametre og i otte individuelle år (2000-2007) og under standardafvigelsen af disse otte værdier. Usikkerhed i parameteren,, som repræsenterer antallet af mutationer, der kræves for at udvikle en tumor, blev målt ved sammenligning af modeller for tre, fire og fem mutationer, som vist i tabel 2.