Association of DNA modifications with somatic mutations in cancer
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| Data de Publicação: | 2018 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10451/35526 |
Resumo: | Tese de mestrado, Bioquímica (Bioquímica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018 |
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Association of DNA modifications with somatic mutations in cancer5-hidroximetilcitosinaMutações somáticasReparação do DNAR-loopsCancroTeses de mestrado - 2018Departamento de Química e BioquímicaTese de mestrado, Bioquímica (Bioquímica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018O cancro desenvolve-se a partir da acumulação de mutações e alterações epigenéticas que modificam os padrões celulares de expressão génica, conferindo às células uma vantagem seletiva de crescimento no ambiente em que se inserem. A identificação das condições e mecanismos que originaram essas mutações e alterações epigenéticas é extremamente importante para perceber a carcinogénese e o conhecimento fundamental sobre os processos que controlam e/ou perturbam as informações contidas na cromatina permitiria desenvolver estratégias para prevenir, mitigar e tratar o cancro. Nos últimos anos, o crescimento de novas técnicas de sequenciação permitiu o identificar características comuns entre os vários tipos de cancro. Por exemplo, Hodgkinson et al. demostraram, utilizando dados de sequenciação, que a densidade de mutações somáticas estava relacionada entre três tipos de cancro analisados e também com mutações em linhas germinais. Este estudo destacou que certas propriedades do genoma humano podem moldar a distribuição de mutações de forma não aleatória e incentivou Schuster-Böckler et al. a compararem diversos fatores genéticos e epigenéticos, utilizando amostras de diferentes tipos de cancro, com a densidade de mutações. Observou-se nessa análise que regiões com alta frequência mutações estão relacionadas com um tipo de modificação de histonas associada a heterocromatina, H3K9me3 (histona H3 lisina 9 trimetilada), tendo esta modificação sido responsável por mais de 40% da variação da taxa de mutações, indicando que a estrutura da cromatina tem uma forte influência na densidade de mutações em células somáticas humanas. Outro estudo, por Polak et al., investigou a distribuição de mutações de vários tipos de cancro e comparou-a com a específica distribuição de modificações epigenéticas de diferentes tipos de células. Os resultados revelaram que a acessibilidade e a modificação da cromatina, juntamente com o tempo de replicação, explicam até 86% da variação das taxas de mutação, com regiões de alta densidade de mutações a associar com uma estrutura de cromatina condensada. Surpreendentemente, as características epigénicas derivadas do tipo de célula de origem dos cancros foram melhores determinantes da distribuição de mutações que as características epigenéticas das linhas celulares dos cancros testados. Estes estudos destacaram a relevância da influência da estrutura da cromatina, e das modificações epigenéticas associadas, na densidade de mutações. No entanto, estudos recentes evidenciam que modificações epigenéticas podem ter um papel mais direto na modelação da distribuição de mutações em cancro, tendo sido observado uma associação entre um tipo de modificação epigenética e dois mecanismos que podem afetar o genoma de forma oposta: formação de R-loops e reparação do DNA. Essa modificação epigenética é a 5-hidroximetilcitosina (5hmC), uma modificação no DNA predominantemente estável, presente em altos níveis no cérebro e em células estaminais embrionárias, com funções na regulação de diversos processos celulares e de desenvolvimento, incluindo na pluripotência de células estaminais embrionárias, no desenvolvimento de neurônios e na tumorogénese em mamíferos. Para além dessas funções, observou-se que esta modificação de DNA pode contribuir para a reparação do DNA e manutenção da integridade do genoma. Essa contribuição foi primeiro observada pelo grupo Jiali Li, quando em células Purkinje de murganho houve uma produção de 5hmC mediada por TET1 e dependente da ATM em resposta a danos induzidos no DNA. Posteriormente, o mesmo grupo demonstrou que quando existe dano no DNA, induzido por luz ultravioleta ou por um inibidor da topoisomerase I, a cinase ATR fosforila TET3 e promove um aumento moderado nos níveis globais de 5hmC. Apesar destes estudos não revelarem se o aumento de 5hmC se localiza especificamente em regiões do DNA onde o dano ocorreu, Kafer et al. demostraram a colocalização de 5hmC com vários fatores de reparação (53BP1, Rad51, γ-H2AX) em células humanas HeLa, HCC827 e A594, sendo a TET2 necessária para a produção de 5hmC após a indução de dano, evidenciando que o enriquecimento desta modificação do DNA pode ocorrer especificamente nas regiões onde o DNA foi danificado. Por outro lado, recentemente no laboratório onde esta tese foi conduzida, dados preliminares indicaram uma conexão entre a presença de 5hmC e a formação de R-loops—estruturas híbridas de DNA e RNA que se formam durante a transcrição, resultantes da invasão do RNA nascente a extensões de DNA com cadeias separadas a montante da RNA polimerase e da sua subsequente ligação com a cadeia de DNA complementar. R-loops têm funções importantes na iniciação e terminação da transcrição, mas também são ameaças à integridade do genoma. Uma das formas que pode criar instabilidade no genoma é quando a sua formação inadequada causa a colisão dos processos transcrição e de replicação, e, consequentemente, gera quebras no DNA que, se não forem reparadas adequadamente, podem produzir mutações. Estes resultados criaram um aparente conflito entre a observada função de 5hmC na reparação do DNA e a sua associação à formação de R-loops podendo ser uma fonte de instabilidade genómica. Este conflito incentivou uma análise bioinformática para avaliar a densidade de mutações somáticas em regiões enriquecidas por 5hmC, com o objetivo de esclarecer o papel promissor dessa modificação na instabilidade genómica e/ou na reparação do DNA e, em última análise, no desenvolvimento ou prevenção de cancro. Adicionalmente, o mesmo tipo de análise foi realizado para regiões enriquecidas por outra modificação da citosina, 5-metilcitosina (5mC), para distinguir como diferentes tipos de modificações de DNA afetam a densidade de mutações. A análise bioinformática foi executada com dados de sequenciação, contendo informação sobre a distribuição de 5hmC e sobre a localização e tipo de mutações nos genomas de pacientes com leucemia mielóide aguda (AML) e de pacientes com melanoma cutâneo (SKCM), recolhidos de base de dados públicas de estudos previamente realizados. Utilizando esses dados, foi conduzida uma análise comparativa entre o número de mutações em exões localizados em regiões enriquecidas por 5hmC e exões localizados em regiões sem modificações de citosinas (sem 5mC e 5hmC). A partir dos resultados obtidos, verificou-se que pode haver uma relação entre a presença de 5hmC e mecanismos de reparação do DNA apenas para mutações C>T, uma vez que foi observada uma redução significativa no número desse tipo de mutações em exões localizados em regiões enriquecidas por 5hmC. Mas, a análise revelou também que a presença 5hmC pode estar associada a instabilidade genómica, já que em pacientes com AML foi observado um aumento de deleções em exões localizados em regiões enriquecidas por 5hmC. No entanto, também se observou um aumento de deleções em exões localizados em regiões enriquecidas por 5mC, indicando que ambos os tipos de modificação possam ter um papel na instabilidade genómica. De facto, houve uma maior densidade de praticamente todos os tipos de mutações em exões localizados em regiões enriquecidas por 5mC, fortalecendo a anteriormente observada correlação entre mutações e cromatina repressiva, uma vez que 5mC é conhecida por ter um papel na regulação da heterocromatina. Em conclusão, os resultados não indicaram claramente uma relação entre 5hmC e reparação do DNA ou instabilidade genómica. Serão necessários mais estudos para compreender qual é a influência de 5hmC no genoma do cancro e qual é papel das modificações do DNA na formação de mutações somáticas. Este tipo de análise deve ser complementado com mais cancros, com um maior número de pacientes, com diversas modificações epigenéticas, com dados de acessibilidade da cromatina, e com perfis de transcrição, para que sejam considerados todos os processos que possam estar envolvidos na formação de mutações e que sejam determinados os mecanismos que afetam a densidade de mutações em genomas de cancro. Ainda assim, tanto este estudo como outros que relacionam modificações epigenéticas com mutações realçam a necessidade de investigar os processos fundamentais e dinâmicos que moldam e interagem com o genoma para que no futuro tenhamos um conhecimento detalhado sobre os mecanismos que levam à carcinogénese.Cancer develops from an accumulation of mutations and epigenetic alterations that modify cellular patterns of gene expression, granting the cells a selective growth advantage in their microenvironment. Identifying the conditions and mechanisms that originated those abnormal alterations is remarkably important to understand carcinogenesis. In recent years, the development and growth of high-throughput sequencing techniques allowed the identification of common features between cancers by comparing cancer genomes. Indeed, Hodgkinson et al., using the sequencing data gathered from three types of cancer, showed that the density of somatic mutations is correlated between all three cancers and also with germline mutations. This intriguing observation instigated the research into the influence of chromatin organization on the mutation distribution observed in cancers, with an aim to uncover the factors that shape the cancer genome. The search for the potential effects of the regional chromatin architecture on the incidence of mutations revealed that high mutation density is located in regions with epigenetic and genetic features related with heterochromatin and that the best predictors of local somatic mutation density are epigenomic features derived from the most likely cell type of origin of the corresponding cancer. Those studies highlighted the importance of the chromatin environment, and associated epigenetic modifications, in affecting mutation density. However, recent evidence suggests that epigenetic modifications might have more direct role in shaping the cancer mutation landscape, with one type of epigenetic modification being associated with DNA damage and repair. That epigenetic modification is 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), a predominantly stable DNA modification present in high levels in the brain, embryonic stem cells, and shown to regulate many cellular and developmental processes, including the pluripotency of embryonic stem cells, and neuron development. Previous studies showed that upon DNA damage induction, there is a global increase in the levels of 5hmC and a colocalization with DNA damage response markers, opening the possibility for a role of 5hmC in DNA repair and, consequently, in reducing mutation formation. Conversely, recently, preliminary research showed that regions with 5hmC could be related with R-loops—sources of genomic instability—and, therefore, with an increase in DNA damage and mutation formation. These conflicting results prompted a bioinformatic analysis to evaluate the density of somatic mutations in regions enriched for 5hmC with the objective to clarify the promising role for this DNA modification in DNA damage and/or DNA repair and, ultimately, in promoting or protecting cancer formation. To evaluate the density of somatic mutations in regions enriched for 5hmC it was collected high-throughput sequencing data with somatic mutations and with 5hmC from acute myeloid leukemia (AML) patients and from skin cutaneous melanoma (SKCM) patients, and it was performed a comparative analysis between the number of mutations in exons containing 5hmC and exons without DNA modifications. From the results obtained, 5hmC could be associated with DNA repair mechanisms regarding only C>T mutations since it was observed a significant decrease in the number of that mutation type in exons containing 5hmC. But, 5hmC could also be associated with DNA damage due to an increase in deletions in AML. However, the data for this type of mutation was limited and another cytosine modification, 5-methylcytosine (5mC), also showed an increase in deletions. The results also revealed a higher density of virtually all mutation types in exons containing 5mC, possibly providing additional evidence for the relationship between mutations and repressive chromatin, since 5mC is known to have a role in heterochromatin regulation. In conclusion, further experiments are necessary to understand the influence of 5hmC on the cancer genome and the direct role of DNA modifications in the formation of somatic mutations.Pinto, Francisco RodriguesGrosso, Ana Rita Fialho, 1979-Repositório da Universidade de LisboaSousa, João Pedro Agostinho de2021-11-26T01:30:20Z201820182018-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/35526TID:202189040enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:31:36Zoai:repositorio.ul.pt:10451/35526Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:49:59.894818Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
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