Non-small cell lung cancer (NSCLC) constitutes a clinically, histologically, and genetically heterogeneous disease entity that represents a major cause of cancer-related death. Early-stage patients, who undergo surgery with curative intent, experience high recurrence rates and the effect of adjuvant treatment is modest. Prognostic biomarkers would be of particular relevance to guide intensified treatment depending on expected outcome and moreover often infer a biological role in tumourigenesis. This thesis presents a translational study approach to establish a well-characterised NSCLC frozen-tissue cohort and to obtain a profile of each specimen with regard to genome-wide copy number alterations, global gene expression levels and somatic mutations in selected cancer-related genes. Furthermore, the generation of a formalin-fixed, paraffin-embedded tissue microarray enabled validation of findings on the protein level using immunohistochemistry. The comprehensive molecular characterisation, combined with data on clinical parameters, enabled the analysis of biomarkers linked to disease outcome. In Paper I, single nucleotide polymorphism arrays were applied to assess copy number alterations in NSCLC and associations with overall survival in adenocarcinoma and squamous cell carcinoma were described. In Paper II, we evaluated expression levels of selected stromal proteins in NSCLC using immunohistochemistry and the adhesion molecule CD99 was identified as an outcome-related biomarker in two independent cohorts. Paper III presents a strategy for prognostic biomarker discovery based on gene expression profiling, meta-analysis, and validation of protein expression on tissue microarrays, and suggests the putative tumour suppressor CADM1 as a candidate biomarker. In Paper IV, we propose a prognostic role for tumour-infiltrating IGKC-expressing plasma cells in the local tumour microenvironment, indicating an involvement of the humoral immune response in anti-tumor activity. In Paper V, we combined next-generation deep sequencing with statistical analysis of the TP53 database to define novel parameters for database curation. In summary, this thesis exemplifies the benefits of a translational study approach, based on a comprehensive tumour characterisation, and describes molecular markers associated with clinical outcome in NSCLC.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第21990号 / 医博第4504号 / 新制||医||1037(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 武藤 学, 教授 松田 文彦, 教授 小川 誠司 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Aberrationen in der DNA-Kopienzahl sind häufige genetische Veränderungen bei malignen Lymphomerkrankungen. Zugewinne sowie Deletionen stellen dabei Mechanismen zur Onkogen-Aktivierung sowie Tumorsuppressorgen-Inaktivierung dar und tragen somit zur Pathogenese der Erkrankung bei. Array-CGH und SNP-Array sind Messplattformen, die die genomweite Bestimmung von Kopienzahlaberrationen in einem Experiment ermöglichen. Die bei der Analyse entstehenden Datensätze sind komplex und erfordern automatische Methoden zur Unterstützung der Analyse und Interpretation der Messergebnisse. In dieser Promotionsarbeit wurden Methoden entwickelt, welche die Analyse von Array-CGH- und SNP-Array-Messungen ermöglichen. Diese Methoden wurden für die Auswertung umfangreicher Datensätze von malignen Non-Hodgkin-Lymphomen verwendet. Dabei wurden Lymphome der Entitäten Burkitt-Lymphom, diffus großzelliges B-Zell-Lymphom, Mantelzelllymphom, primäres ZNS-Lymphom und peripheres T-Zell-Lymphom – nicht anderweitig spezifiziert – analysiert. Für die untersuchten Lymphom-Entitäten konnten hierbei zahlreiche neue rekurrente Kopienzahlaberrationen sowie uniparentale Disomien gezeigt werden, die neue Einblicke in die Pathogenese der jeweiligen Erkrankungen erlauben. Darüber hinaus erfolgte ein Vergleich beider Messplattformen anhand eines Datensatzes mit gepaarten Array-CGH- und SNP-Array-Daten. Für die eingesetzten Plattformen (2800k-BAC-Array vs. Affymetrix 250k-Sty-SNP-Array) konnte eine circa zwölffach höhere effektive Auflösung der SNP-Array-Plattform gezeigt werden. Die wesentlichen Ergebnisse dieser Arbeit sind in sieben Publikationen eingeflossen.

Mantle cell lymphoma (MCL) and chronic lymphocytic leukemia (CLL) both belong to the group of mature B-cell malignancies. However, MCL is typically clinically aggressive while the clinical course of CLL varies. CLL can be divided into prognostic subgroups based on IGHV mutational status and into multiple subsets based on closely homologous (stereotyped) B-cell receptors. In paper I we investigated 31 MCL cases using high-density 250K single-nucleotide polymorphism arrays and gene expression arrays. Although most copy-number aberrations (CNAs) were previously reported in MCL, a novel deletion was identified at 20q (16%) containing the candidate tumor suppressor gene ZFP64. A high proliferation gene expression signature was associated with poor prognosis, large CNAs, 7p gains and 9q losses. Losses at 1p/8p/13q/17p were associated with increased genomic complexity. In paper II we sequenced exons 4 to 8 of the TP53 gene in 119 MCL cases. 17p copy-number status was known from previous studies or determined by real-time quantitative polymerase chain reaction. TP53 mutations were detected in 14% of cases and were strongly associated with poor survival while 17p deletions were more common (32%) but did not predict survival. In papers III and IV we applied high-resolution genomic 27K methylation arrays to 20 MCL and 39 CLL samples. In paper III MCL displayed a homogenous methylation profile without correlation with the proliferation signature whereas MCL was clearly separated from CLL. Gene ontology analysis revealed enrichment of developmental genes, in particular homeobox transcription factor genes, among targets methylated in MCL. In paper IV we compared three different stereotyped CLL subsets: #1 (IGHV unmutated), #2 (IGHV3-21) and #4 (IGHV mutated). Many genes were differentially methylated between each two subsets and immune response genes (e.g. CD80 and CD86) were enriched among genes methylated in subset #1 but not in subsets #2/#4. In summary, CNAs were frequent and not random in MCL. Specific CNAs correlated with a high proliferation gene expression signature or genomic complexity. TP53 mutations predicted short survival whereas 17p deletions did not. A high proliferation signature was not associated with differential DNA methylation in MCL, which demonstrated a homogeneous methylation pattern. In contrast, genomic methylation patterns differed between MCL and CLL and between stereotyped CLL subsets.

Aberrationen in der DNA-Kopienzahl sind häufige genetische Veränderungen bei malignen Lymphomerkrankungen. Zugewinne sowie Deletionen stellen dabei Mechanismen zur Onkogen-Aktivierung sowie Tumorsuppressorgen-Inaktivierung dar und tragen somit zur Pathogenese der Erkrankung bei. Array-CGH und SNP-Array sind Messplattformen, die die genomweite Bestimmung von Kopienzahlaberrationen in einem Experiment ermöglichen. Die bei der Analyse entstehenden Datensätze sind komplex und erfordern automatische Methoden zur Unterstützung der Analyse und Interpretation der Messergebnisse. In dieser Promotionsarbeit wurden Methoden entwickelt, welche die Analyse von Array-CGH- und SNP-Array-Messungen ermöglichen. Diese Methoden wurden für die Auswertung umfangreicher Datensätze von malignen Non-Hodgkin-Lymphomen verwendet. Dabei wurden Lymphome der Entitäten Burkitt-Lymphom, diffus großzelliges B-Zell-Lymphom, Mantelzelllymphom, primäres ZNS-Lymphom und peripheres T-Zell-Lymphom – nicht anderweitig spezifiziert – analysiert. Für die untersuchten Lymphom-Entitäten konnten hierbei zahlreiche neue rekurrente Kopienzahlaberrationen sowie uniparentale Disomien gezeigt werden, die neue Einblicke in die Pathogenese der jeweiligen Erkrankungen erlauben. Darüber hinaus erfolgte ein Vergleich beider Messplattformen anhand eines Datensatzes mit gepaarten Array-CGH- und SNP-Array-Daten. Für die eingesetzten Plattformen (2800k-BAC-Array vs. Affymetrix 250k-Sty-SNP-Array) konnte eine circa zwölffach höhere effektive Auflösung der SNP-Array-Plattform gezeigt werden. Die wesentlichen Ergebnisse dieser Arbeit sind in sieben Publikationen eingeflossen.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis 1. Einführung 1.1 Biologischer Hintergrund 1.1.1 Aberrationen der DNA-Kopienzahl und Tumorentstehung 1.1.2 Lymphome 1.2 Motivation und Rationale für die Arbeit 1.3 Array-CGH Analyse 1.4 SNP-Array-Analyse 1.5 Vergleich von Array-CGH und SNP-Array-Analyse 1.6 Assoziationen von DNA-Kopienzahlaberrationen mit RNA-Expression, Lymphomentität sowie klinischen und phänotypischen Faktoren 2.Publikationen 2.1 Publikation 1: “Development and implementation of an analysis tool for array-based comparative genomic hybridization” Methods Inf Med. 2007;46(5):608-13 2.2 Publikation 2: “Recurrent loss of the Y chromosome and homozygous deletions within the pseudoautosomal region 1: association with male predominance in mantle cell lymphoma” Haematologica. 2008 Jun;93(6):949-50 2.3 Publikation 3: “GeneChip analyses point to novel pathogenetic mechanisms in mantle cell lymphoma” Br J Haematol. 2009 Feb;144(3):317-31 2.4 Publikation 4: “Chromosomal imbalances and partial uniparental disomies in primary central nervous system lymphoma.” Leukemia. 2009 Oct;23(10):1875-84 2.5 Publikation 5: “High resolution SNP array genomic profiling of peripheral T cell lymphomas, not otherwise specified, identifies a subgroup with chromosomal aberrations affecting the REL locus” Br J Haematol. 2010 Feb;148(3):402-12 2.6 Publikation 6: “Detection of genomic aberrations in molecularly defined Burkitt\''s lymphoma by array-based, high resolution, single nucleotide polymorphism analysis” Haematologica. 2010 Dec;95(12):2047-55 2.7 Publikation 7: “Patient age at diagnosis is associated with the molecular characteristics of diffuse large B-cell lymphoma” Blood. 2012 Feb 23;119(8):1882-7 2.8 Kennzeichnung des Eigenanteils für alle eingeschlossenen Publikationen 3. Diskussion und Ausblick 4. Zusammenfassung 5. Referenzen 6. Eigene Publikationen 7. Erklärung 8. Danksagung 9. Curriculum vitae