Identification of new candidate genes for germline predisposition to familial colorectal cancer using somatic mutational profiling

Abstract

Colorectal cancer (CRC) is one of the malignant neoplasms with higher incidence and mortality in Spain, Europe and worldwide. As a complex disease, both environmental and genetic factors influence CRC predisposition. Up to 35% of CRC patients present familial aggregation for the disease, whereas only around 2-8% of cases are linked to a well-known hereditary syndrome associated to pathogenic germline alterations in specific genes, namely APC, MUTYH, POLE, POLD1 or the DNA mismatch repair genes. During last years, next generation sequencing (NGS) techniques such as whole exome sequencing (WES) have been used to address this gap of missing heritability. Characterization of somatic mutational profiles, performed by the application of NGS to both germline and tumor DNA, has also been recently established as a powerful tool to identify novel genes linked to CRC predisposition. However, although some bioinformatic packages have been developed to address this analysis, it remains inaccessible for a substantial proportion of the scientific community. Accordingly, the main purpose of this doctoral thesis was to identify new genes involved in germline predisposition to familial CRC, by using an integrated germline-tumor WES analysis and somatic mutational profiling, as well as facilitating the application of these genomic analyses to the scientific community.

As a first step, a bioinformatic tool to deal with somatic mutational profiling was developed. Shiny framework was used to build MuSiCa, a user-friendly web application freely accessible and potentially useful for non-specialized researchers. Tumor mutational burden calculation and mutational signature refitting analysis according to the information present in COSMIC database is available, as well as different options for sample classification through clustering and principal component analysis.

Subsequently, an integrated germline-tumor analysis was implemented in a cohort of 18 familial CRC unrelated patients. WES data of both germline and tumor DNA was available, allowing the identification of new potential tumor suppressor genes according to Knudson’s two-hit hypothesis. Benefitting from the development of MuSiCa application, somatic mutational profiling was also analyzed, uncovering five hypermutated samples. An enrichment of DNA repair-associated genes was found, as well as some genes previously linked to predisposition syndromes to other cancer types. BRCA2, BLM, ERCC2, RECQL, REV3L and RIF1 were found as the most promising candidate genes for germline CRC predisposition. Interestingly, a germline mutation was found in the DNA repair gene RECQL in a patient with one of the hypermutated tumors, reinforcing the putative role of this gene in hereditary CRC. These findings could be helpful in clinical practice improving genetic counseling in the affected families.

El cáncer colorrectal (CCR) es una de las neoplasias con mayor incidencia y mortalidad en España y el mundo. Aunque un 35% de los pacientes presentan agregación familiar, sólo un 2-8% se asocia con un síndrome hereditario conocido, causado por mutaciones germinales en genes como APC, MUTYH, POLE, POLD1 o los genes del sistema de reparación del ADN por mal apareamiento de bases. En los últimos años, las técnicas de secuenciación de nueva generación (SNG), como la secuenciación del exoma completo (SEC), han sido utilizadas para el descubrimiento de nuevos genes implicados en la predisposición al CCR. La caracterización de los perfiles mutacionales somáticos, aplicando SNG al ADN germinal y tumoral, también se ha utilizado recientemente en este proceso. Sin embargo, aunque se han desarrollado algunos paquetes bioinformáticos para su análisis, todavía permanece inaccesible para una gran parte de la comunidad científica. En consecuencia, el objetivo principal de esta tesis doctoral ha sido el de identificar nuevos genes implicados en la predisposición germinal al CCR familiar, utilizando un análisis de SEC germinal-tumoral y caracterización mutacional somática, así como facilitar la aplicación de estos análisis genómicos a la comunidad científica.

En primer lugar, se llevó a cabo el desarrollo de una herramienta bioinformática denominada Mutational Signatures in Cancer (MuSiCa), una aplicación web de manejo sencillo y acceso libre desarrollada a través de la plataforma Shiny, que permite el cálculo de la carga mutacional tumoral y la caracterización de las firmas mutacionales según la información disponible en la base de datos COSMIC.

Posteriormente, se implementó un análisis integrado de SEC germinal-tumoral en una cohorte de 18 pacientes de CCR familiar, complementado con una caracterización mutacional somática, gracias al desarrollo de MuSiCa. Se detectaron cinco tumores hipermutados, así como un enriquecimiento de mutaciones germinales en genes involucrados previamente en síndromes de predisposición a otros tipos de cáncer y a la reparación del ADN. Los genes BRCA2, BLM, ERCC2, RECQL, REV3L y RIF1 fueron priorizados como los más prometedores de cara a la predisposición al CCR. Estos descubrimientos podrían ser de utilidad en la práctica clínica, mejorando el consejo genético en las familias afectadas.