Abstract Breast cancer is the most common malignancy in women and it is strongly influenced by hereditary risk factors. So far, most of the breast cancer-associated genes, including BRCA1/2, have been identified among those that encode proteins involved in DNA damage response (DDR) pathways. However, known genetic risk factors explain less than half of the familial risk of breast cancer. Identification of novel genes and mutations that predispose to breast cancer is important for the understanding of the mechanisms that contribute to the disease development and also for the identification of those individuals who are at high risk. The first aim of this study was to resolve the complementation groups of Finnish patients with Fanconi anemia (FA), which is a rare genetic disease caused by defects in a specific DDR pathway, and to study the role of the causative gene mutations in breast cancer predisposition. The second aim of this study was to identify novel breast cancer susceptibility genes and alleles by targeted next-generation sequencing (NGS) of multiple (~800) DDR related genes. In both approaches, the identified gene mutations were subjected to case-control association analysis utilizing DNA samples of over 1,000 breast cancer cases and 1,000 healthy controls. Investigation of the Finnish FA patients revealed six different disease-causing mutations in three different genes (FANCA, FANCG and FANCI). All of the studied mutations were recurrent in the Finnish population but did not associate with breast cancer. Targeted NGS identified three novel potential breast cancer susceptibility genes. A significant enrichment of TEX15 c.7253dupT and FANCD2 c.2715+1G>A mutations was observed among the hereditary breast cancer cases (P = 0.018 and P = 0.036, respectively). The strongest evidence was found for a Finnish founder mutation in MCPH1 (c.904_916del), which associated with breast cancer susceptibility both in familial (P = 0.003, OR 8.3) and unselected (P = 0.016, OR 3.3) patient cohorts. The tumor suppressive function of MCPH1 was indicated by the loss of the wild-type allele of MCPH1 in 40% of the studied carrier tumors. Furthermore, carriers exhibited a significant increase in genomic instability measured by spontaneous chromosomal rearrangements in peripheral blood lymphocytes. / Tiivistelmä Rintasyöpä on naisten yleisin syöpä. Sairastumisriskiin vaikuttavat voimakkaasti perinnölliset alttiustekijät, ja suurin osa tähän asti tunnistetuista rintasyöpäalttiusgeeneistä, kuten BRCA1/2, koodaa DNA-vauriovasteessa (DDR) toimivia proteiineja. Tunnistetut tekijät selittävät yhä kuitenkin vain alle puolet rintasyövän perinnöllisestä alttiudesta. Uusien alttiusgeenien tunnistaminen on tärkeää rintasyövän patomekanismien ymmärtämiseksi sekä korkean rintasyöpäriskin omaavien henkilöiden tunnistamiseksi. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli määrittää viallisesta DDR-signaalinsiirtoreitistä johtuvan Fanconin anemian (FA) komplementaatioryhmät suomalaisilta FA-potilailta sekä tutkia sairauden taustalla olevien geenimutaatioden yhteyttä rintasyöpäriskiin. Uusia alttiusgeenejä etsittiin myös kohdennetulla uuden sukupolven sekvensointimenetelmällä, jonka avulla tutkittiin yhtäaikaisesti n. 800 DDR-geeniä. Molemmilla lähestymistavoilla tunnistettujen geenimuutosten yhteyttä rintasyöpään selvitettiin tapaus-verrokkitutkimuksen avulla, jossa tutkittiin DNA-näytteitä yli tuhannelta rintasyöpäpotilaalta sekä yli tuhannelta terveeltä henkilöltä. Suomalaisten FA-potilaiden geenimuutoksia selvittävässä tutkimuksessa tunnistettiin yhteensä kuusi mutaatiota kolmessa eri geenissä (FANCA, FANCG ja FANCI). Kaikki tutkimuksessa tunnistetut mutaatiot olivat toistuvia suomalaisessa väestössä, mutta merkitsevää assosiaatiota näiden mutaatioiden ja rintasyöpäalttiuden välillä ei havaittu. DDR-geenien sekvensoinnin avulla tunnistettiin kolme uutta mahdollista rintasyöpäalttiusgeeniä. Tutkimuksessa havaittiin TEX15 c.7253dupT ja FANCD2 c.2715+1G>A mutaatioiden rikastuminen perinnöllisessä rintasyöpäaineistossa (P = 0.018 ja P = 0.036). Merkittävin yhteys rintasyöpäalttiuden kanssa todettiin MCPH1-geenin perustajamutaatiolle (c.904_916del). Tämä mutaatio assosioitui rintasyöpäalttiuden kanssa sekä perinnöllisessä (P = 0.003, OR 8.3) että valikoimattomassa potilasaineistossa (P = 0.016, OR 3.3). Useissa mutaatiokantajien tuumoreissa (40 %) normaali MCPH1 vastinalleeli oli hävinnyt, mikä viittaisi siihen, että MCPH1 toimii tuumorisuppressorina. Mutaatiokantajilla todettiin myös kohonnut määrä kromosomaalisia muutoksia veren periferaalisissa lymfosyyteissä, mahdollisesti kohonneeseen genomiseen epävakauteen liittyen.

Abstract Two major genes are involved in hereditary predisposition to breast and ovarian cancer – BRCA1 and BRCA2. However, germline mutations in these tumor suppressors account for a maximum 20% of the familial breast cancer cases. A significant portion of the genes predisposing to this disease is unknown and therefore needs to be discovered. The aim of this study was to identify novel breast cancer susceptibility genes from the interweaving BRCA/Fanconi anemia (FA) pathway. Five candidate genes – MERIT40, ABRAXAS, BRIP1, CHK1, and FANCA – were screened for mutations by utilizing conformation-sensitive gel electrophoresis and sequencing, or with multiplex ligation-dependent probe amplification in blood DNA samples of Finnish familial breast cancer patients. Investigation of the MERIT40 gene revealed novel nucleotide changes, being the first report on mutation screening of this gene. None of the observed alterations, however, appeared to be disease related, suggesting that germline mutations in MERIT40 are rare or absent in breast cancer patients. A missense alteration (c.1082G>A, leading to Arg361Gln) was identified in ABRAXAS in 3 out of 125 Northern Finnish breast cancer families (2.4%), but not in any of the 867 healthy controls. The prevalence of the mutation between familial and control cases was statistically significantly different (p=0.002). ABRAXAS c.1082G>A appears to have pathological significance based on its exclusive occurrence in cancer cases, evolutionary conservation, disruption of a putative nuclear localization signal, reduced nuclear localization of the protein, and defective accumulation at DNA damage sites. The BRIP1 (FANCJ) and CHK1 genes were screened for large genomic rearrangements, but no abnormalities were detected, ruling out a significant contribution to breast cancer susceptibility in the Northern Finnish population. A novel large heterozygous deletion was identified in the FANCA gene in one out of 100 breast cancer families, removing the promoter and the first 12 exons. The deletion allele was not present in the tested controls, suggesting that it might contribute to breast cancer susceptibility. This is the first report on the association of a large-size germline deletion in a gene acting in the upstream part of the FA signaling pathway with familial breast cancer. / Tiivistelmä BRCA1 ja BRCA2 ovat kaksi tärkeintä perinnöllisen rinta- ja munasarjasyövän alttiusgeeniä. Niissä esiintyvät ituradan muutokset selittävät kuitenkin vain noin 20 % familiaalisista rintasyöpätapauksista. Suurin osa alttiusgeeneistä on edelleen tunnistamatta ja näitä tekijöitä etsitään aktiivisesti. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on ollut tunnistaa uusia alttiustekijöitä toisiinsa läheisesti liittyviltä BRCA/Fanconin anemia (FA) signaalinsiirtoreiteiltä. Viisi kandidaattigeeniä - MERIT40, ABRAXAS, BRIP1, CHK1 ja FANCA – kartoitettiin mutaatioiden suhteen suomalaisissa rintasyöpäperheissä käyttämällä konformaatiosensitiivistä geelielektroforeesia ja sekvensointia, tai multiplex ligation-dependent probe amplification- menetelmää. MERIT40-geenissä havaittiin useita aikaisemmin raportoimattomia nukleotidimuutoksia, mutta yhdenkään niistä ei havaittu liittyvän rintasyöpäalttiuteen. MERIT40-geenimuutosten mahdollista yhteyttä rintasyöpäalttiuteen ei ole tutkittu aikaisemmin. ABRAXAS-geenissä havaittiin missense-mutaatio (c.1082G>A, joka johtaa Arg361Gln aminohappokorvautumiseen) kolmessa pohjoissuomalaisessa rintasyöpäperheessä (3/125, 2.4 %). Muutosta ei havaittu terveissä kontrolleissa (N=867), ja ero mutaation esiintyvyydessä familiaalisten rintasyöpätapausten ja terveiden kontrollien välillä oli tilastollisesti merkitsevä (p=0.002). ABRAXAS c.1082G>A-muutos on todennäköisesti patogeeninen, sillä kyseinen aminohappopaikka on evolutiivisesti konservoitunut ja sijaitsee todennäköisellä tumaanohjaussignaalialueella. Funktionaaliset kokeet osoittivat, että mutatoitunut proteiinituote lokalisoitui villityypin proteiinia heikommin tumaan ja sen ohjautuminen DNA-vaurioalueille oli puutteellista. BRIP1- (FANCJ) ja CHK1-geeneistä etsittiin laajoja genomisia uudelleenjärjestelyjä, mutta niitä ei havaittu. Näin ollen kyseisillä muutoksilla ei ole merkittävää roolia perinnöllisessä rintasyöpäalttiudessa suomalaisessa väestössä. FANCA-geenissä havaittiin laaja heterotsygoottinen deleetio yhdessä tutkitusta 100 rintasyöpäperheestä. Deleetio poistaa geenin promoottorialueen lisäksi sen 12 ensimmäistä eksonia. Deleetioalleelia ei havaittu terveissä kontrolleissa, joten se mahdollisesti liittyy perinnölliseen rintasyöpäalttiuteen. Tutkimus on ensimmäinen, jossa raportoidaan laaja genominen deleetio FA-signaalinsiirtoreitin ylävirran geenissä familiaalisessa rintasyövässä.

Abstract Around 5−10% of all breast cancer cases are estimated to result from a strong hereditary predisposition to the disease. However, mutations in the currently known breast cancer susceptibility genes account for only 20−30% of all familial cases. Additional factors contributing to the pathogenesis of breast cancer, therefore, await discovery. Aims of this study were to evaluate variations of the AATF and MRG15 genes as novel potential candidates for breast cancer susceptibility, to further examine the prevalence of the cancer-related PALB2 c.1592delT mutation among BRCA-negative high-risk breast cancer families counselled at the Department of Clinical Genetics, Oulu University Hospital, to identify Finnish Fanconi anaemia patients complementation groups as well as causative mutations, and to evaluate the potential role of these mutations in breast cancer susceptibility. The analysis of 121 familial breast cancer cases revealed altogether seven different sequence changes in the AATF gene. However, none of them were considered pathogenic, suggesting that germline mutations in AATF are rare or absent in breast cancer patients. Investigation of the MRG15 gene among familial breast cancer cases revealed seven previously unreported variants, but in silico analyses revealed that none of these variants appeared to modify the function of MRG15. The results suggest that MRG15 alterations are unlikely to be significant breast cancer susceptibility alleles. A previously identified pathogenic PALB2 mutation, c.1592delT, was identified in three patients from a cohort of 62 high-risk BRCA1/2-negative breast cancer patients from the Department of Clinical Genetics. PALB2 c.1592delT mutation testing should thus be a routine part of the genetic counselling protocol, particularly for BRCA1/2-negative high-risk breast cancer patients. Investigation of the complementation groups of Finnish Fanconi anaemia patients revealed a total of six different causative mutations. These mutations were examined further by analysing their prevalence in large cohorts of breast (n=1840) and prostate (n=565) cancers. However, no significant association emerged between cancer predisposition and these FA mutations. / Tiivistelmä Arviolta 5−10 prosenttia kaikista rintasyöpätapauksista aiheutuu merkittävästä perinnöllisestä alttiudesta sairauteen. Tällä hetkellä tiedossa olevien rintasyövälle altistavien geenivirheiden ajatellaan kuitenkin selittävän vain noin 20−30 prosenttia kaikista perinnöllisistä tapauksista. On todennäköistä, että uusia tekijöitä, jotka osallistuvat rintasyövän patomekanismiin, on vielä löytymättä. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli arvioida AATF- ja MRG15-geeneissä esiintyvien muutosten mahdollista vaikutusta rintasyöpäalttiuteen, tutkia tarkemmin PALB2 c.1592delT -mutaation esiintymistä BRCA-mutaationegatiivisten korkean rintasyöpäriskin potilaiden joukossa (perinnöllisyyspoliklinikka, Oulun yliopistollinen sairaala) ja määrittää suomalaisten Fanconi-anemiapotilaiden komplementaatioryhmät, sairauden taustalla olevat mutaatiot sekä tutkia näihin mutaatioihin mahdollisesti liittyvää rintasyöpäriskiä. 121 familiaalisen rintasyöpätapauksen analyysissä löytyi yhteensä seitsemän erilaista sekvenssimuutosta AATF-geenissä. Näistä yksikään ei kuitenkaan ollut selvästi patogeeninen. Tuloksen perusteella perinnölliset rintasyövälle altistavat muutokset AATF-geenissä ovat joko erittäin harvinaisia tai niitä ei esiinny lainkaan. MRG15-geenin mutaatioanalyysissä havaittiin seitsemän aikaisemmin raportoimatonta muutosta, mutta in silico -analyysien perusteella millään muutoksista ei ole vaikutusta MRG15-proteiinin toimintaan. Tulosten perusteella on epätodennäköistä, että MRG15-geenin muutokset olisivat merkittäviä rintasyövälle altistavia muutoksia. Jo aiemmin patogeeniseksi todettu PALB2 c.1592delT -mutaatio löydettiin kolmelta niistä perinnöllisyyspoliklinikan korkean syöpäriskin 62 potilaasta, jotka olivat BRCA1/2-geenitestauksessa saaneet normaalin tuloksen. Tulostemme perusteella PALB2 c.1592delT -mutaatiotestaus tulisi Suomessa ottaa osaksi perinnöllisyyspoliklinikoiden tarjomaa tutkimusprotokollaa. Suomalaisten Fanconi-anemiapotilaiden komplementaatioryhmiä selvittävässä tutkimuksessa identifioitiin yhteensä kuusi erilaista tautia aiheuttavaa mutaatiota. Näiden muutosten esiintymistä tutkittiin myös laajoissa rinta- (n=1840) ja eturauhassyöpäaineistoissa (n=565). Tilastollisesti merkittävää assosiaatiota ei kuitenkaan todettu suomalaisten FA-mutaatioiden ja syöpäalttiuden välillä.

Abstract Mutations in the currently known breast cancer susceptibility genes account for only 25–30% of all familial cases. Novel susceptibility genes can be identified by several methods, including candidate gene re-sequencing and genome-wide microarrays. We have applied microarrays for the detection of a new genomic variation class, copy number variants (CNVs), which potentially could disrupt genes in multiple pathways related to breast cancer susceptibility. The aim of the current study was to evaluate the role of the RNF8, UBC13, MMS2 and RAD51C DNA damage response genes in breast cancer susceptibility as well as to study if rare CNVs are associated with the predisposition to this disease. The analysis of 123 familial breast cancer cases revealed altogether nine different changes in the RNF8 and UBC13 candidate genes. However, none of the observed alterations were considered pathogenic. No alterations were observed in MMS2. The obtained results suggest that breast cancer predisposing alterations in RNF8, UBC13 and MMS2 are rare, or even absent. The RAD51C mutation screening of 147 familial breast cancer cases and 232 unselected ovarian cancer cases revealed two deleterious mutations: c.-13_14del27 was observed in a breast cancer case with familial history of ovarian cancer and c.774delT in an ovarian cancer case. Both mutations were absent in the control cohort. The results of the study support the hypothesis that rare variants of RAD51C predispose predominantly to ovarian cancer. A genome-wide scan of CNVs was performed for 103 familial breast cancer cases and 128 controls. The biological networks of the genes disrupted by CNVs were different between the two groups. In familial breast cancer cases, the observed mutations disrupted genes, which were significantly overrepresented in cellular functions related to maintenance of genomic integrity (P=0.0211). Biological network analysis showed that the disrupted genes were closely related to estrogen signaling and TP53-centered tumor suppressor network, and this result was confirmed by the analysis of an independent young breast cancer cohort of 75 cases. These results suggest that rare CNVs represent an alternative source of genetic variation contributing to hereditary risk for breast cancer. / Tiivistelmä Tunnetut rintasyöpäalttiusgeenien mutaatiot selittävät vain 25–30 prosenttia kaikista perinnöllisistä rintasyöpätapauksista. Uusia alttiusgeenejä voidaan tunnistaa useilla eri menetelmillä, kuten kandidaattigeenien mutaatiokartoituksella ja genomin-laajuisilla mikrosirutekniikoilla. Tässä tutkimuksessa sovelsimme mikrosirutekniikkaa uuden geneettisen variaatioluokan, kopiolukuvariaation (CNV), tutkimiseen. CNV:t voivat vaurioittaa lukuisia rintasyöpäalttiuteen liittyviä biokemiallisia reittejä. Tämän tutkimuksen tarkoitus oli arvioida RNF8-, UBC13-, MMS2- ja RAD51C -DNA- vauriovastegeenien sekä harvinaisten CNV:iden yhteyttä rintasyöpä-alttiuteen. 123 familiaalisen rintasyöpätapauksen analyysissä löytyi yhteensä yhdeksän muutosta RNF8- ja UBC13-geeneistä, joista yksikään ei osoittautunut patogeeniseksi. MMS2-geenissä ei havaittu muutoksia. Tulosten perusteella rintasyövälle altistavat muutokset RNF8-, UBC13- ja MMS2- geeneissä ovat joko erittäin harvinaisia tai niitä ei esiinny lainkaan. RAD51C-geenin mutaatiokartoitus 147 familiaalisesta rintasyöpätapauksesta sekä 232 valikoimattomasta munasarjasyöpätapauksesta paljasti kaksi haitallista mutaatiota. c.-13_14del27 havaittiin rintasyöpäpotilaalla, jonka suvussa esiintyi munasarjasyöpää, ja c.774delT todettiin munasarjasyöpäpotilaalta. Kumpaakaan mutaatiota ei havaittu verrokkiaineistossa. Tulokset vahvistavat hypoteesia RAD51C-geenin harvinaisten varianttien yhteydestä pääasiassa munasarjasyöpäriskiin. CNV:iden genomin-laajuinen skannaaminen suoritettiin 103 familiaaliselle rintasyöpätapaukselle ja 128 verrokille. CNV:iden häiritsemien geenien muodostamat biologiset verkostot olivat erilaiset näiden kahden ryhmän välillä. Familiaalisilla rintasyöpätapauksilla havaitut CNV:t vaikuttivat geeneihin, jotka olivat voimakkaasti korostuneita genomin eheyttä ylläpitävissä tehtävissä (P=0.0211). Biologisten verkostojen analyysi paljasti, että CNV:iden vahingoittamat geenit liittyivät läheisesti estrogeenisignalointiin sekä TP53-tuumorisupressoriverkostoon, ja tämä tulos vahvistettiin analysoimalla riippumatonta nuorista rintasyöpäpotilaista koostuvaa kohorttia (N=75). Tutkimuksen tulosten mukaan harvinaiset CNV:t ovat vaihtoehtoinen geneettisen variaation lähde perinnölliseen rintasyöpäalttiuteen.