Defects in tricarboxylic acid cycle enzymes Fumarate hydratase and Succinate dehydrogenase in cancer

Abstract

Hereditary leiomyomatosis and renal cell cancer (HLRCC) is a recently characterized cancer syndrome which predisposes to cutaneous and uterine leiomyomas as well as renal cell carcinoma (RCC). Uterine leiomyosarcoma (ULMS) has also been observed in certain Finnish HLRCC families. The predisposing gene for this syndrome, fumarate hydratase (FH), was identified in 2002. The well-known function of FH is in the tricarboxylic acid cycle (TCAC) in the energy metabolism of cells. As FH is a novel cancer gene, the role of FH mutations in tumours is in general unknown. Similarly, the mechanisms through which defective FH is associated with tumourigenesis are unclear. The loss of a wild type allele has been observed in virtually all HLRCC patients tumours and the FH enzyme activities are either totally lost or remarkably reduced in the tissues of mutation carrier patients. Therefore, FH is assumed to function as a tumour suppressor.

Mutations in genes encoding subunits of other TCAC enzyme SDH have also been reported recently in tumours: mutations in SDHB, SDHC, and SDHD genes predispose to paraganglioma and pheochromocytoma.

In the present study, mutations in the SDHB gene were observed to predispose to RCC. This was the first time that mutations in SDHB have been detected in extra-paraganglial tumours. Two different SDHB mutations were observed in two unrelated families. In the first family, the index patient was diagnosed with RCC at the age of 24 years. Additionally, his mother with a paraganglioma (PGL) of the heart and his maternal uncle with lung cancer were both carriers of the mutation. The RCC of the index patient and the PGL of his mother showed LOH. In the other family, an SDHB mutation was detected in two siblings who were both diagnosed with RCC at the ages of 24 and 26 years. Both of the siblings also suffered PGL. All these tumours showed LOH. Therefore, we concluded that mutations in SDHB predispose also for RCC in certain families.

Several tumour types were analysed for FH mutations to define the role of FH mutations in these tumour types. In addition, patients with a putative cancer phenotype were analysed to identify new HLRCC families. Three FH variants were detected, of which two were novel. One of the variants was observed in a patient diagnosed with ULMS at the age of 41 years. However, LOH was not detected in the tumour tissue. The FH enzyme activity of the mutated protein was clearly reduced, being 43% of the activity of the normal protein. Together with the results from an earlier study we calculated that the prevalence of FH mutations in Finnish non-syndromic ULMS is around 2.4%. Therefore, FH mutations seem to have a minor role in the pathogenesis on non-syndromic ULMS. Two other germline variants were detected in a novel tumour type, ovarian mucinous cystadenoma. However, tumour tissues of the patients were not available for LOH studies and therefore LOH status remained unclear. Therefore, it is possible that FH mutations predispose also for ovarian tumours but further studies are needed to verify this result.

A novel variant form of the FH gene (FHv) was identified and characterized in more detail. FHv contains an alternative first exon (1b), which appeared to function as 5’ UTR sequence. The translation of FHv is initiated in vitro from exons two and three. The localization of FHv is both cytosolic and nuclear, in contrast to the localization of FH in mitochondria. FHv is expressed at low levels in all human tissues. Interestingly, the expression was induced after heat shock treatment and in chronic hypoxia. Therefore, FHv might have a role e.g. in the adaptation to unfavourable growth conditions. However, this remains to be elucidated.

HLRCC on vallitsevasti periytyvä syöpäsyndrooma, joka altistaa potilaat ihon ja kohdun sileälihaskasvaimille sekä munuaissyövälle. Suomalaisissa HLRCC-perheissä on lisäksi havaittu kohdun pahanlaatuisia kasvaimia (leiomyosarkoomia). HLRCC on kuvattu vuonna 2001, ja se on verrattain harvinainen syöpäsyndrooma: Suomessa on tähän mennessä tunnistettu seitsemän HLRCC-sukua. HLRCC ilmiasun aiheuttajaksi ovat paljastuneet sitruunahappokiertoon (Krebsin sykli) osallistuvan Fumaraatti hydrataasi – geenin (Fumaraasi, FH) heterotsygoottiset ituratamutaatiot. FH toimii solujen mitokondrioissa solun energiantuotannon entsyyminä. FH:n rooli kasvainten synnyssä on epäselvä, mutta sen arvellaan toimivan syövänestäjä-geeninä. FH:n lisäksi myös toisen sitruunahappokiertoon osallistuvan entsyymin, Sukkinaatti dehydrogenaasin (SDH), mutaatiot altistavat kasvaimille. SDH koostuu neljästä erilaisesta alayksiköstä, SDHA, SDHB, SDHC ja SDHD.

Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena on selvittää FH:n ja SDH:n geenimutaatioiden roolia erilaisten kasvainten synnyssä. Ensimmäisessä osatyössä kartoitettiin FH:n ja SDH:n mutaatioiden osuutta nuorella iällä munuaissyöpään sairastuneiden potilaiden kasvaimissa. Tutkimuksessa löydettiin SDHB-geenin mutaatio kahdesta toisistaan riippumattomasta perheestä. Ensimmäisessä perheessä geenimuutos löydettiin 24-vuotiaana munuaissyöpään sairastuneelta potilaalta sekä tämän äidiltä, jolla oli aiemmin todettu sydämen kasvain (paragangliooma). SDH:n kahden muun alayksikön (SDHC ja SDHD) ituratamutaatioiden on aiemmin todettu altistavan paraganglioomille. Tämän lisäksi toisessa perheessä havaittiin SHDB:n ituratamutaatio kahdella sisaruksella, joista toinen oli sairastunut munuaissyöpään 24- ja toinen 26-vuotiaana. Lisäksi potilailla oli todettu paragangliooma. Tutkimuksessa löydettiin siis uusi periytyvälle munuaissyövälle altistava geeni ja tulos tulisi ottaa huomioon nuorten munuaissyöpään ja paraganglioomaan sairastuneiden potilaiden hoidossa ja seurannassa.

Toisessa ja kolmannessa osatyössä kartoitettiin FH-mutaatioiden osuutta erilaisissa kasvaimissa. Tutkimuksissa löydettiin FH:n ituratamutaatio kolmelta toisistaan riippumattomalta potilaalta. Osatyössä II tunnistettiin uusi, aiemmin raportoimaton ituratamutaatio kohdun leiomyosarkoomaan 41-vuotiaana sairastuneelta potilaalta. Osatyössä III tunnistettiin kaksi FH-geenin muutosta uudessa kasvaintyypissä, munasarjakasvaimissa. Toinen näistä muutoksista oli uusi, aiemmin raportoimaton muutos ja toinen kolmen emäksen häviämä, joka on aiemmin raportoitu FH-puutos oireyhtymässä. Tulosten perusteella näyttääkin siltä, että FH-geenin mutaatiot altistavat myös yksittäisille kohdun leiomyosarkoomille ja saattavat altistaa myös munasarjakasvaimille.

Neljännessä osatyössä kuvataan FH-geenin uusi, ennalta tuntematon geenimuoto FHv. Tämä geenimuoto sisältää vaihtoehtoisen ensimmäisen eksonin 1b. Eksonia 1b ei käännetä proteiiniksi, vaan proteiiniluenta näyttää yliekspressiotutkimusten perusteella alkavan eksoneista 2 ja 3. Tätä vaihtoehtoista geenimuotoa tuotetaan kaikissa ihmisen kudoksissa matalalla tasolla. Lähetti-RNA:n ekspressiotaso näyttää nousevan stressiolosuhteissa kasvatetuissa solulinjoissa, ja onkin mahdollista että sen tehtävä liittyy solujen sopeutumiseen stressiolosuhteisiin. Tehtävän tarkempi selvittäminen vaatii kuitenkin vielä lisätutkimuksia.