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Bibliographic Metadata

Title
The transcriptomic landscape of bone marrow derived disseminated neuroblastoma cells / submitted by Mag.rer.nat. Fikret Rifatbegovic
Additional Titles
Das Transkriptionsprofil von disseminierten Neuroblastomzellen im Knochenmark
AuthorRifatbegovic, Fikret
Thesis advisorAmbros, Peter
PublishedWien, 01/2017
DescriptionX, 97 Seiten : Diagramme
Institutional NoteMedizinische Universität, Dissertation, 2017
Annotation
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Date of SubmissionJanuary 2017
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Neuroblastom / disseminierte Tumorzellen / Knochenmark / Tumorsupressorgene / Chromosom 19
Keywords (EN)neuroblastoma / disseminated tumor cells / DTC / bone marrow / chromosome 19
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-9288 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
Files
The transcriptomic landscape of bone marrow derived disseminated neuroblastoma cells [18.84 mb]
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Reference
Classification
Abstract (German)

Das Neuroblastom, der häufigste Tumor bei Säuglingen, ist durch ein extrem vielfältiges und häufig dramatisches Krankheitsbild gekennzeichnet. Das vielgestaltige klinische Verhalten ist primär durch die hohe genetische Diversität dieses Tumors erklärbar. Während eine Reihe von Tumoren, die meist mit numerischen Chromosomenveränderungen assoziiert sind, eine spontane Regression oder Ausreifung aufweisen, zeigen andere hoch maligne Eigenschaften und sind durch Chromosomenumbauten und/oder Genamplifikationen charakterisiert. Etwa die Hälfte aller Neuroblastom Patienten ist durch Dissemination der Tumorzellen in das Knochenmark (KM) gekennzeichnet, was in weiterer Folge zum metastatischen Rezidiv führen kann. Die Anzahl der disseminierten Tumorzellen (disseminated tumor cells, DTCs) im KM ist jedoch oftmals sehr gering, was ihre Charakterisierung bisher erschwert hat.

In der vorliegenden Dissertation wurde daher der dringenden Notwendigkeit nachgegangen die DTCs auf Transkriptionsebene zu charakterisieren, um Einblicke in die Biologie dieser Zellen zu erlangen. Um dies zu ermöglichen haben wir eine immuno-magnetische Anreicherungsmethode etabliert, getestet und angewandt, um DTCs von den restlichen mononukleären Zellen (mononuclear cells MNCs) zu trennen und anzureichern, ohne dabei die Transkriptionssignatur der Tumorzellen zu verändern. Anschließend wurde die RNA von Primärtumoren, DTCs und MNCs von Hoch-Risiko Neuroblastom Patienten sequenziert um folgende Fragen zu beantworten: (i) wie unterscheidet sich die Transkriptionssignatur primärer Tumoren von jener diagnostischer DTCs? (ii) Wie unterscheidet sich das Expressionsverhalten von DTCs von den korrespondierenden MNCs? Und, (iii) wie verändert sich das Transkriptionsprofil von DTCs im Verlauf der Erkrankung (Diagnose Rezidiv)?

Unsere RNA-seq Daten haben gezeigt, dass, obwohl die Transkriptionssignatur der DTCs jener der primären Tumoren großteils ähnelte, 322 Gene signifikant differenziell transkribiert waren. Am auffälligsten waren die in den DTCs hoch-regulierten Gene welche in der mitochondrialen DNA kodiert sind. Eine substantielle Anzahl von Genen war jedoch in den DTCs herab-reguliert, unter anderem Gene, die für die Angiogenese notwendig sind. Zudem haben wir 224 Gene gefunden, die in den DTCs hoch-transkribiert waren, deren Transkription jedoch in den MNCs nur sehr gering bis gar nicht nachweisbar war. Diese 224 differentiell exprimierten Gene können behilflich sein, die DTCs an Hand ihres spezifischen Expressionsverhaltens zu detektieren. Wir konnten auch zeigen, dass sich interessanterweise das Transkriptom der DTCs im Krankheitsverlauf kaum ändert. Lediglich 113 Gene wiesen zwischen Diagnose und Rezidiv ein differentielles Transkriptionsverhalten auf. Auffällig war jedoch die Häufung der differentiell exprimierten Gene am Chromosom 19. Von den insgesamt 113 differentiell exprimierten Genen waren 31 am Chromosom 19 kodiert und interessanterweise herab-reguliert. Unter den 31 Genen befinden sich auch fünf Tumorsuppressorgene (SIRT6, PUMA, STK11, CADM4 und GLTSCR2) die im Zusammenhang mit dem Neuroblastom kaum beschrieben sind, die jedoch in einer Reihe von anderen Tumoren herab-reguliert sind. Von den insgesamt 31 deregulierten Genen befanden sich 11 auf dem langen (q) Arm und 20 auf dem kurzen (p) Arm von Chromosom 19. Obwohl Deletionen am q-Arm viel häufiger waren als am p-Arm, entsprach dies nicht dem Verteilungsmuster der differentiell exprimierten Gene.

Durch die erste RNA Sequenzierung von DTCs konnten wir wesentliche Erkenntnisse über deren Biologie erlangen. Neben der Beschreibung von DTC spezifischen Markern, ist besonders die Herabregulation von Tumorsupressorgenen in DTCs beim Rezidiv von potentieller Tragweite, da diese für das Scheitern der heutigen Therapiestrategien verantwortlich sein könnte. Somit sind diese Erkenntnisse ein wichtiger Ausgangspunkt für zukünftige funktionelle Studien an DTCs.

Abstract (English)

Neuroblastoma is the most common tumor diagnosed in the first year of life. It exhibits diverse and often dramatic clinical behaviors, a property which is mainly attributed to its genetic diversity. While tumors which present only with numerical chromosomal aberrations are often characterized by spontaneous regression or maturation, others are characterized by structural chromosomal aberrations and/or gene amplifications, thus being highly malignant and often causing death. The malignant tumors are defined by a frequent dissemination of tumor cells into the bone marrow (BM), a feature that is assumed to cause metastatic relapse in a substantial number of patients. However, disseminated tumor cells (DTCs) frequently represent only a minor cell population in the BM of neuroblastoma patients, which is why their characterization was hampered in the past.

In the present PhD thesis, the urgent necessity for analyzing the transcriptomic landscape of DTCs was pursued in order to improve our knowledge about the emergence of relapse metastatic disease. By establishing, testing and applying an immunomagnetic enrichment method, we were able to separate and enrich DTCs from the remaining mononuclear cells (MNCs) of the BM without altering their gene expression profile. Thus, RNA-Seq of tumors, DTCs, and MNCs of high-risk neuroblastoma patients was performed in order to analyze: (i) whether and how the expression profile of diagnostic DTCs differs from the primary tumors, (ii) how the expression of DTCs varies from the corresponding BM-derived MNCs, and (iii) whether the transcription profile of DTCs changes during the course of disease (diagnosis relapse).

As a result, we found that DTCs largely retained the gene expression signature of primary tumors, including concordant transcription levels of the neuroblastoma hallmark genes MYCN and PHOX2B. Nevertheless, we identified 322 genes that were differentially expressed between DTCs and the primary tumors. Particularly genes encoded by the mitochondrial DNA were highly up-regulated in DTCs, whereas genes involved in angiogenesis and initiation of metastasis were down-regulated in DTCs. Furthermore, we identified 224 genes that were highly expressed in DTCs and only slightly, if at all, in MNCs. These genes may be considered as markers for the detection of minimal residual disease (MRD) in the BM during or after treatment. Finally, we found that diagnostic DTCs resembled those at relapse with only 113 differentially expressed genes under relaxed cut-offs. Notably, relapse DTCs showed a positional enrichment of 31 down-regulated genes encoded by chromosome 19, with twenty genes (n = 20) encoded by the p-arm and eleven genes (n = 11) encoded by the q-arm of chromosome 19. SNP array data indicated frequent deletions on chromosome 19 in DTCs of relapse patients. However, these genomic deletions were mainly affecting genes that are encoded by the q-arm of chromosome 19, while genes encoded by the p-arm were rarely deleted. Interestingly, we found five tumor suppressor genes, namely SIRT6, BBC3 (PUMA), STK11, CADM4 and GLTSCR2, among the 31 down-regulated genes encoded by chromosome 19 in relapse DTCs. Not much is known about these five tumor suppressor genes in association with neuroblastoma, but their down-regulation is highly associated with an increase of the oncogenic potential in various other cancers.

With the first RNA-Seq data of BM-derived disseminated neuroblastoma cells, we were able to obtain substantial insights into the biology of these cells. We identified DTC-specific markers and transcriptional alterations occurring in DTCs, particularly the down-regulation of tumor suppressor genes encoded by chromosome 19 in relapse patients. As these alterations might be associated with treatment failure and disease relapse in high-risk neuroblastoma patients, they should be considered for further functional studies.

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