Epigenetic hotspots in cancer

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Pestana, Daniel José Formica
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.1/16665
Resumo: DNA methylation is one of the most studied epigenetic events. In normal cells, it assures the regulation of gene expression without changing the genetic code. However, alterations in DNA methylation are now widely recognized as a contributing factor in tumorigenesis. The bulk of research done in cancer epigenetics focuses on one of two events: promoter hypermethylation and global hypomethylation. Advances in the understanding of how DNA methylation shapes the chromatin’s organization and how the later affects gene expression have been made. Less is known about how DNA methylation affects genes not only locally but also at a distance. We hypothesized that during tumorigenesis specific genomic regions are more susceptible to DNA methylation (epi-hotspots) and other are resistance to DNA methylation changes (epi-blackholes). We also hypothesized that these regions might persist in tumor cells by exerting some selective pressure in the primary tumor clones. By performing a pan-cancer analysis comparing normal to stage-I primary stage-I primary tumor samples gathered from TCGA consortium, we observed that both epi-hotspots and epi-blackholes occurred in all of the analyzed cancer cohorts. Furthermore, generally, epi-hotspots were able to predict gene expression alterations during tumorigenesis, and epi-blackholes were predictors of maintenance of gene expression during tumor initiation, which was in accordance with our hypothesis. We also found that several epi-hotspots and epi-blackholes are predictors of survival in stage-III tumor patients, which may provide potential study targets for candidate prognostic biomarkers. In summary, this study provides new evidence that regional methylation patterns potentially might exert selective pressure in tumor initiation by influencing genome-wide gene expression, and that these traits might be used to develop novel diagnostic and prognostic candidate biomarkers.
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spelling Epigenetic hotspots in cancerMetilação de dnaCancroExpressão génicaBiomarcadores de prognósticoRegiões genómicasDomínio/Área Científica::Ciências Médicas::Outras Ciências MédicasDNA methylation is one of the most studied epigenetic events. In normal cells, it assures the regulation of gene expression without changing the genetic code. However, alterations in DNA methylation are now widely recognized as a contributing factor in tumorigenesis. The bulk of research done in cancer epigenetics focuses on one of two events: promoter hypermethylation and global hypomethylation. Advances in the understanding of how DNA methylation shapes the chromatin’s organization and how the later affects gene expression have been made. Less is known about how DNA methylation affects genes not only locally but also at a distance. We hypothesized that during tumorigenesis specific genomic regions are more susceptible to DNA methylation (epi-hotspots) and other are resistance to DNA methylation changes (epi-blackholes). We also hypothesized that these regions might persist in tumor cells by exerting some selective pressure in the primary tumor clones. By performing a pan-cancer analysis comparing normal to stage-I primary stage-I primary tumor samples gathered from TCGA consortium, we observed that both epi-hotspots and epi-blackholes occurred in all of the analyzed cancer cohorts. Furthermore, generally, epi-hotspots were able to predict gene expression alterations during tumorigenesis, and epi-blackholes were predictors of maintenance of gene expression during tumor initiation, which was in accordance with our hypothesis. We also found that several epi-hotspots and epi-blackholes are predictors of survival in stage-III tumor patients, which may provide potential study targets for candidate prognostic biomarkers. In summary, this study provides new evidence that regional methylation patterns potentially might exert selective pressure in tumor initiation by influencing genome-wide gene expression, and that these traits might be used to develop novel diagnostic and prognostic candidate biomarkers.O cancro é um conjunto heterogéneo de várias doenças que são caracterizadas por uma taxa de crescimento e divisão celular anormais. Durante o processo tumorigénico, as células tumorais vão sucessivamente adquirindo alterações genéticas e epigenéticas, o que leva a uma continua seleção de subclones tumorais. Durante esta evolução tumoral, as células sofrem alterações a nível da metilação de DNA que, tal como as mutações, podem ser propagadas para as células-filha. Estes tipos de alterações contribuem não só para o início do processo tumorigénico, como também para o seu continuo desenvolvimento, sem alterarem a sequência de DNA. Alterações a nível da metilação de DNA participam no processo tumorigénico influenciando diretamente a expressão génica, e afetando a conformação da cromatina que, por sua vez, está relacionada com a toda a expressão génica na célula. Para serem ativamente expressos, os genes têm de estar acessíveis a fatores regulatórios. Por outro lado, genes que têm a sua expressão silenciada tendem a estar compactados na cromatina, de forma a estarem inacessíveis às proteínas responsáveis pela sua transcrição. Alterações a nível da conformação da cromatina podem promover a tumorigénese pelo facto de mudarem a acessibilidade de certas regiões de DNA, assim alterando o padrão global de expressão génica da célula. A maioria dos tumores apresenta um padrão de metilação de DNA global anormal. Uma vez que estes mesmos padrões têm um papel importante na modulação da acessibilidade da cromatina, que por sua vez tem impacto no fenótipo da célula, surgiu a pergunta biológica: “ durante o processo de iniciação tumoral, serão certas regiões genómicas mais suscetíveis a alterações a nível de metilação de DNA?”. E no caso da resposta a esta pergunta ser afirmativa, surge ainda a questão: “Será que estas regiões estão associadas à alteração de padrões de expressão génica nas células tumorais?”. No caso de existirem zonas genómicas de maior suscetibilidade a alterações de metilação de DNA, e estas estarem associadas a alterações a nível de expressão génica, surge ainda a hipótese que estas regiões poderão ter valor de prognóstico em pacientes com doença avançada. Numa tentativa de respondermos a estas questões, realizámos uma análise a doze tipos de cancro (adenocarcinoma do colon, adenocarcinoma do pâncreas, carcinoma da mama, colangiocarcinoma, carcinoma do esófago, cancro da cabeça e pescoço, carcinoma de células renais de células claras, carcinoma de células renais papilar, carcinoma hepatocelular, adenocarcinoma do pulmão, carcinoma do pulmão de células escamosas, e carcinoma da tireoide), onde comparámos dados de metilação entre amostras de tecido normal com amostras de tecido tumoral em estádio I. Por forma a se encontrarem regiões de maior suscetibilidade a alterações de metilação de DNA, aplicámos dois algoritmos de identificação de regiões diferencialmente metiladas e intercetámos os resultados. As regiões genómicas identificadas por ambos os métodos foram designadas epi-hotspots. De modo a aferir se os epi-hotspots estavam associados a alterações de expressão génica no processo de iniciação tumoral, efetuou-se ainda uma análise de regressão linear múltipla entre cada gene diferencialmente expresso em estádio I e cada epi-hotspot. Os genes diferencialmente expressos, cuja variação entre tecido normal e tumor estádio I podia ser explicada por epi-hotspots, foram sujeitos a um estudo de ontologia genética, por forma a se compreender se estes genes potencialmente epigeneticamente regulados enriqueciam algum processo celular. Este processo foi também repetido por forma a se identificarem regiões de baixa suscetibilidade a alterações de metilação de DNA, que designámos epi-blackholes. De modo a testar se estas regiões estavam associadas a genes não-diferencialmente expressos, realizou-se ainda uma análise de regressão linear múltipla entre cada gene não-diferencialmente expresso em estádio I e cada epi-blackhole. Estudou-se ainda o grau de semelhança entre os doze tipos de cancro aqui analisádos relativamente à presença de epi-hotspots e epi-blackholes por meio de uma análise de agrupamento hierárquico. Finalmente, examinou-se o potencial de prognóstico de cada epi-hotspot e cada epi-blackhole em pacientes tumorais de estádio III, fazendo uso de uma análise baseada em regressão multivariada de Cox. Os nossos resultados indicam que, apesar de existirem pequenas semelhanças, o número e localização de epi-hospots e epi-blackholes é característico de cada tipo de cancro, o que sugere que tanto a alteração como a manutenção dos padrões de metilação nestas regiões dependem da célula de origem. Verificou-se ainda que os padrões de metilação em epi-hotspots estavam associados a padrões alterados de expressão génica, em amostras de tecido tumoral em estádio I. Este resultado suporta a hipótese de que alterações regionais de metilação de DNA podem conferir vantagem seletiva na evolução clonal do tumor por influenciarem a expressão génica. De uma forma geral, os genes cuja variação em iniciação tumoral era explicada pela variação da metilação de epi-hotspots enriquecem processos celulares de forma distinta nos diferentes tipos de cancro analisados. Por outro lado, padrões de metilação em epi-blackholes estavam associados à manutenção dos padrões de expressão génica, em amostras de tecido tumoral em estádio I, o que sugere que a conservação de padrões de metilação em certas regiões do DNA pode também ser relevante para a tumorigénese. Observou-se também que em dois terços dos tipos de cancro analisados, a metilação das CpGs de pelo menos um epi-hotspot ou epi-blackhole foi capaz de dividir os pacientes oncológicos de estádio III em dois grupos com padrões de sobrevida distintos, independentemente da idade dos pacientes. Apesar de nem todas as regiões aqui identificadas terem demonstrado potencial de prognóstico, este estudo sugere que os padrões de metilação de DNA em epi-hotspots e epi-blackholes podem ser potênciais candidatos para biomarcadores de prognóstico em pacientes oncológicos de estádio III. Em suma, este trabalho demonstra que, durante o processo de iniciação tumoral, há uma alteração do padrão de metilação de DNA de certas regiões genómicas (epi-hotspots). Por outro lado, parece também haver uma conservação do padrão de metilação de DNA de outras regiões (epi-blackholes). Além disso, parece existir uma associação entre a variação da expressão génica na iniciação tumoral e a metilação dos epi-hotspots. A manutenção do padrão de metilação dos epi-blackholes identificados parece estar associada com a ausência de variação de expressão de determinados genes. Este estudo revela ainda que epi-hotspots e epi-blackholes podem ter também exercer uma pressão seletiva no tumor, já que para além de estarem associados à expressão génica são ainda capazes de prever o prognóstico de pacientes oncológicos em estádio III.Castelo-Branco, PedroMarreiros, AnaSapientiaPestana, Daniel José Formica2021-06-25T16:14:53Z2020-07-142020-07-14T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.1/16665TID:202651738enginfo: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:RCAAP2023-07-24T10:28:38Zoai:sapientia.ualg.pt:10400.1/16665Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T20:06:46.008805Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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