암 유전자의 진화 지도 만들어 암의 진행에 대한 이해를 한다

암 유전자의 진화 지도 만들어 암의 진행에 대한 이해를 한다

단 하나의 유전자 변이가 세포를 암으로 만들기에 충분한 경우는 드물다. 대부분의 경우, 단일 세포와 그 세포에서 자란 여러 세포들이 수 년 또는 수십 년에 걸쳐 DNA의 손상이 축적되어 그러한 세포가 억제됨이 없이 성장을 하거나 혹은 전이 암의 경우 신체의 다른 부분으로 확산될 수 있는 능력을 얻게 된다.

대장암과 같은 몇 가지 암 유형에 대해 과학자들은 암 발병 초기에 흔히 볼 수 있는 변이와 중간 단계, 그리고 늦게 볼 수 있는 변이를 지도로 만들었다. 그러나 이러한 변이가 얼마나 오래 걸리는지는 명확하지 않았다. 그리고 이 게놈의 진화를 시간의 경과에 따라 도표로 나타낸 지도를 대부분 종류의 암에 활용할 수 없었다.

새로운 국제적인 연구에서, 연구원들은 38종류의 암을 가장 자주 유발하는 유전자 변이를 그려내기 위해 전체 유전자 배열법을 사용했다. 2월 6일 네이처지에 발표된 이 연구는 또한 언제 이러한 많은 변이가 일어났는지, 서로 상대적으로 그리고 연대순으로, 몇 년 또는 수십 년에 걸쳐 정확히 지적할 수 있었다. 그 결과 만들어진 지도는 현재 가능한 것보다 훨씬 더 빨리 암을 식별할 수 있는 기회를 만들어낼 수 있다고 연구 지도자들은 믿고 있다.

오리건 주 보건과학대학의 폴 스펠만 박사는 "이제 우리는 이러한 ‘변이’가 일어나는 사실을 알게 되었고, 이것은 이전에는 거의 알지 못했던 것"이라고 말했다.

연구진은 신경세포종과 같은 일부 종양의 경우 태아 발육 중에도 암을 유발하는 변이가 매우 일찍 일어났다고 밝혔다. 난소암과 같은 다른 사람들에게 있어서, 이 리드타임(암의 시작부터 발병까지 걸리는 시간)은 증상이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 빨리 증상이 발병하기 10년 전에 진행되고 있었다.

연구자들은 신체가 어떻게 그렇게 오랫동안 암세포를 억제하는지 완전히 이해하지 못하고 있다고 스펠만 박사는 설명했다.

스펠만 박사는 "그러나 우리가 신경을 쓰는 많은 변이들은 진단하기 훨씬 전에 일어나고 있다"고 말했다. "따라서 위험에 처한 사람들을 확인할 수 있는 방법과 초기 탐지 마커의 관점에서 우리가 찾아야 할 것이 무엇인지 알아낼 수 있다면, 위험에 처한 개인들을 위한 개입의 가능성이 있다.

(돌연)변이의 다양성

이 새로운 작업은 암 전부를 대상으로 한 전체 유전자 분석(PCAWG) 컨소시엄의 협력 프로젝트에서 나왔다. PCAWG는 암 게놈 지도(TCGA) 프로그램과 국제 암 게놈 컨소시엄에서 수집한 암 조직 샘플을 모았다. 두 수집 계획 사이에서, 연구원들은 2,658명의 기증자들로부터 채취한 2,778개의 암 샘플을 모았다.

연구원들은 각 샘플의 모든 유전자 배열을 이용하여 그 종양의 발병 과정에서 발생한 변이를 분석할 수 있었다. 단일 종양의 많은 세포에서 발견된 변이는 종양을 발생시킨 세포들이 분열되면서 생겨났던 이전의 변화로 간주되었다. 표본의 소수의 종양 세포에서만 발견되는 변이는 암의 진화 과정에서 나중에 발생한 것으로 간주되었다.

이번 연구에 참여하지 않은 국립암연구소 암 생물학과의 제리 리 박사는 "종양에 대한 유전자 분석을 분자 고고학이라고 부르기도 한다. 고고학에서처럼 탄소 연대 측정의 정밀도를 가지고 있지 않을 수도 있지만, 그것은 변이가 일어나는 상대적인 순서를 알 수 있다."고 말하고 있다.

약 2,100개의 표본에 대해, 연구원들은 상호관계에 있는 많은 변이들의 분자적 타이밍을 알아낼 수 있었다. 전체 유전자를 포함한 염색체의 일부가 중복되는 복사-번호의 증가와 관련된 변이의 경우 암 유형에 따라 타이밍이 달라졌다고 그들은 보고했다.

신경세포종과 수모세포종과 같은 일부 뇌종양의 경우, 암 발생과 관련된 복제 수 증가가 분자 시간 초기에 발생했다. 이와는 대조적으로, 폐암과 신장 암, 흑색종과 같은 암의 경우, 연구자들은 암의 생성이 끝날 무렵 복제 수 증가가 나타났다.

연구팀은 또한 단일 유전자에서 DNA의 단일 염기서열에서 점 돌연변이가 일어나는 시점을 분석했다. TP53, KRAS 등 암 관련 유전자의 추진자 돌연변이는 암 유형에 관계없이 암 발생 초기에 발생할 가능성이 매우 높았다.

그러나 암 관련 유전자의 추진자 돌연변이의 다양성은 시간이 지나면서 증가했다. 예를 들어, 초기 추진자 돌연변이의 절반은 단지 9개의 유전자에서 발생했다. 이와는 대조적으로, 모든 후기 추진자 돌연변이의 절반은 약 35개의 다른 유전자에서 발생했다.

노출 및 위험의 징후(특징)

특정 유형의 발암 물질에 노출되어 야기되는 위험과 같은 몇 종류의 유전자체의 손상은 돌연변이 특징이라는 특정의 독특한 돌연변이를 뒤에 남는다. 그들이 분석한 표본의 약 40%에서, 연구원들은 종양의 진화 과정에 따라 이러한 징후들이 바뀌는 것을 보았다.

일부 종류의 암의 경우, 돌연변이 특징의 변화는 초기 암 발생과 관련이 있을 수 있다. 예를 들어, 자외선 노출의 특징은 흑색종 발병 초기에 발견되었고, 담배 연기 노출의 특징은 폐암 표본에서 일찍 발견되었다.

스펠만 박사는 "종양 발생 시 흡연과 관련된 돌연변이 유발 과정을 실제로 보여줄 수 있다"고 말했다.

CpG-to-TpG 돌연변이라고 불리는 특정 유형의 돌연변이를 추적한 결과, 연구자들은 일부 암 유형이 발병하는 데 걸리는 시간적 순서를 파악할 수 있었다. 연구를 해본 여러 종류의 암은 추진자 유전자의 돌연변이가 발생한 시점과 암이 진단된 시점 사이의 오랜 시간적 시차를 보여주었다. 예를 들어, 난소암의 경우 이 시차가 10년 이상이었는데, 이암은 진단이 나올 즈음이면 이미 말기이다.

스펠만 박사는 "이러한 타이밍 맵(시차표)은 실제로 우리가 추구해야 할 무언가가 있다는 확신을 준다."고 말했다. "그리고 경우에 따라서는 그것이 우리에게 무엇을 목표로 삼아가야 하는가를 말해 줄지도 모른다." 예를 들어, 그는 방사성 추적기나 다른 도구를 사용하여 특정 형상을 가진 세포를 찾는 분자영상법을 사용하여 복사번호 증가를 찾는 그럴듯한 전략이 존재한다고 설명했다. 그러나 이런 전략을 테스트하는 것은 당분간 먼 장래에 남아 있는 개념이다.

유전자 배열순서 규명의 미래

"아마도, 이러한 종류의 체계적인 종양 분석은 암을 진단하고 예후를 예측하는 새로운 방법들로 이어질 새로운 단서들을 제공할 것." 이라고 리 박사가 말했다.

이 연구는 동시에 20개 이상의 논문을 발표한 더 큰 노력의 일부였다. 전체 프로젝트는 암의 모든 측면에서 전체 유전자 배열의 중요성이 증가하고 있음을 강조한다고 NCI의 암유전체학부 박사인 루 스투트가 말했다.

스펠만 박사는 "우리가 알고 있는 비교적 고주파수 변이의 특정 세트에 대해 알고 있는 것 외에도, 우리는 덜 흔한 변이와 종양 발병 과정에서 일어나는 다양한 형태의 변이와 이상에 많은 문맥을 둘 수 있었다"고 말했다.

스펠만 박사는 이러한 결과를 토대로 특정 발암물질에 대한 노출이 어떻게 암 발병을 촉진하는지와 같은 질문에 답하기 위한 향후 작업이 필요하다고 설명했다. 그는 "그러나 시간이 지남에 따라 변이의 스펙트럼을 보고 특정 돌연변이 유발 과정과 관련된 인과관계를 추적할 수 있다는 것은 정말 흥분되는 일이다"고 말했다. "이제는 특정 발암물질에 대한 차등 노출을 보여주는 것이 타당할 수 있으며, 그러한 노출을 우리가 알고 있는 특정 시간에 작용하고, 그러한 변이를 암이 된 종양에서 그 결과로 보여주는 것이 타당할 수 있다."

2020년 3월 6일 : 국립암연구소 제공

Mapping Cancer Genomic Evolution Offers Insights into Tumor Development

March 6, 2020, by NCI Staff

A single genetic alteration is rarely enough to turn a cell cancerous. In most cases, incremental damage to the DNA of a cell and the cells that arise from it builds up over years or decades, to the point where those cells gain the ability to grow unchecked—or, in the case of metastatic cancer, to spread to other parts of the body.

For a few cancer types, such as colon cancer, scientists have mapped out the alterations that are commonly seen early, in the middle of, and late in cancer development. But how long it takes for these alterations to develop has been unclear. And maps charting this genomic evolution over time have been unavailable for most types of cancer.

In a new international study, researchers used whole-genome sequencing to map the alterations that most frequently drive 38 cancer types. The study, which was published February 6 in Nature, was also able to pinpoint when many of these alterations occurred, both relative to each other and chronologically, over years or decades. The resulting maps may create opportunities to identify cancers much earlier than is currently possible, the study leaders believe.

“Now, we have the order of these [mutational] events, and that's something we mostly haven’t had previously,” said Paul Spellman, Ph.D., from Oregon Health & Science University, an investigator on the study.

For some tumor types, such as glioblastoma, cancer-causing alterations occurred very early, even during fetal development, the researchers found. For others, such as ovarian cancer, this lead time was on the order of a decade before symptoms developed—much earlier than previously thought.

Researchers don’t completely understand how the body keeps these potentially cancerous cells in check for so long, explained Dr. Spellman.

“But many of the [alterations] we care about are happening quite a long time before diagnosis,” Dr. Spellman said. “So there are possibilities for interventions for individuals who are at risk, if we can figure out ways to identify those people and what we should be looking for [in terms of] of early detection markers.”

A Diversity of Mutations

The new work came out of a collaborative project from the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium. The PCAWG pooled cancer tissue samples collected by The Cancer Genome Atlas (TCGA) program and the International Cancer Genome Consortium. Between the two collections, the researchers had access to 2,778 cancer samples taken from 2,658 donors.

Using whole-genome sequences from each sample, the researchers were able to analyze the alterations that had occurred during the development of that tumor. Alterations found in many cells in a single tumor were considered to have been earlier changes that had then been passed on as the cells that gave rise to the tumor divided. Alterations found in only a small number of tumor cells in a sample were considered to have likely occurred later in a cancer’s evolution.

“Genomic analysis of tumors is sometimes referred to as molecular archaeology,” said Jerry Li, M.D., Ph.D., of NCI’s Division of Cancer Biology, who was not involved with the study. “It may not have the precision of carbon dating like in archeology, but it can give you the relative order [in which alterations happen].”

For about 2,100 of the samples, the researchers were able to determine the molecular timing of many alterations in relationship to each other. For alterations involving copy-number gains—where parts of a chromosome, including entire genes, are duplicated—the timing varied by cancer type, they reported.

For some brain tumors, such as glioblastoma and medulloblastoma, copy-number gains associated with cancer development occurred very early in molecular time. In contrast, for cancers such as lung cancer, kidney cancer, and melanoma, the researchers saw copy-number gains developing toward the end of carcinogenesis.

The research team also analyzed the timing of point mutations—alterations in a single base of DNA in a single gene. Driver mutations in cancer-related genes (which promote the development and spread of tumors), including TP53 and KRAS, were very likely to occur early in cancer development, regardless of cancer type.

However, the diversity of driver mutations in cancer-related genes increased over time. For example, half of all early driver mutations occurred in just nine genes. In contrast, half of all late driver mutations occurred in about 35 different genes.

Signatures of Exposure and Risk

Some kinds of damage to the genome—such as the harm caused by exposure to certain types of carcinogens—leave behind sets of specific, characteristic mutations, called mutational signatures. In about 40% of the samples they analyzed, the researchers saw these signatures change over the course of a tumor’s evolution.

For some cancer types, the changes in mutational signatures could be correlated with early cancer development. For example, signatures of exposure to ultraviolet light were found early in melanoma development, and signatures of exposure to tobacco smoke were found early in lung cancer samples.

“We could actually show the mutagenic processes associated with smoking in play during tumor development,” said Dr. Spellman.

Tracking a specific type of mutation, called a CpG-to-TpG mutation, allowed the researchers to map the amount of chronological time it took for some cancer types to develop. Several cancer types studied showed a long time lag between when mutations in driver genes arose and when cancer was diagnosed—a period called cancer latency. For example, this latency was more than a decade for ovarian cancer, which is often diagnosed at a late stage.

“These timing maps give us some confidence that there's actually something to go for,” in terms of early detection for some cancer types, said Dr. Spellman. “And in some cases, it might even tell us what to go for.” For example, he explained, plausible strategies exist to look for copy-number gains using molecular imaging methods that use radioactive tracers or other tools to find cells with specific features. However, testing such strategies is a concept that remains far in the future for now.

The Future of Sequencing

“Potentially, these kind of systematic analyses of tumors will provide new clues that will lead to new [methods] of diagnosing cancer and predicting prognosis,” said Dr. Li.

The study was part of a larger effort that resulted in more than 20 simultaneously published papers. The overall project highlights the increasing importance of whole-genome sequencing to all aspects of cancer medicine, said Lou Staudt, M.D., Ph.D., director of NCI’s Office of Cancer Genomics.

“In addition to what we knew about a specific set of relatively high frequency alterations, we've been able to put a lot of context on less common alterations, and different types of alterations and aberrations that happen during tumor development in a way that hasn't been possible to do before,” Dr. Spellman said.

Future work is needed to build on these results and answer questions such as how exposure to certain carcinogens drives cancer development, explained Dr. Spellman. “But it’s really exciting that we can look at the spectra of alterations over time and start to track causality associated with specific mutagenic processes,” he said. “It might now be plausible to show differential exposures to differential particular carcinogens, acting at specific times that we know those exposures were in play, and time those alterations and show those alterations in an evolved tumor [as] a consequence.”