Mutatiesignatuur: het DNA-litteken van kanker ontcijferd
Elke tumor draagt een verborgen dagboek in zich: duizenden tot miljoenen kleine foutjes in het DNA, opgestapeld gedurende een mensenleven. Een mutatiesignatuur is het herkenbare patroon in die foutjes dat verraadt wélk proces ze veroorzaakt heeft. Net zoals een forensisch onderzoeker aan de vorm van een breuk kan zien of iets is gevallen of geslagen, kunnen onderzoekers aan het patroon van DNA-mutaties aflezen of een tumor is ontstaan door bijvoorbeeld zonlicht, sigarettenrook, een defect reparatiemechanisme, of gewoon door de tand des tijds.
Stel je een tumor voor als een oud dagboek vol schrijffouten. Sommige fouten lijken op elkaar omdat dezelfde 'pen' ze maakte: UV-straling laat typisch C-naar-T-fouten na op specifieke plekken in de tekst, terwijl roken juist een ander foutenpatroon achterlaat. Door al die foutjes in duizenden tumoren met elkaar te vergelijken, hebben wetenschappers een soort 'vingerafdrukkenboek' samengesteld van tientallen van dit soort patronen. Dat boek — met signatuurnamen als SBS1, SBS4 of SBS7 — is inmiddels een standaardgereedschap in het kankeronderzoek en, in toenemende mate, in de kliniek.
Wat is het precies?
Een mutatiesignatuur is in de kern een statistisch patroon. Wanneer het DNA van een tumorcel gemuteerd raakt, gebeurt dat niet willekeurig: elk mutagene proces — of dat nu een chemische stof, straling of een falend reparatiesysteem is — laat mutaties achter op specifieke plekken in het genoom, vaak afhankelijk van de twee DNA-letters die direct naast de fout staan (de zogeheten trinucleotidecontext). Door voor elke mutatie te noteren welke letter veranderde en wat de buren waren, ontstaan 96 mogelijke combinaties voor het meest gebruikte type mutatie, de enkele-baseverandering (Single Base Substitution, afgekort SBS).
Als je van duizenden tumoren het volledige genoom uitleest en al die mutaties in deze 96 categorieën verdeelt, ontstaat een herkenbaar staafdiagram per tumor. Met een wiskundige techniek genaamd non-negative matrix factorization (NMF) — een methode om een grote hoeveelheid gemengde data te ontleden in een klein aantal onderliggende, steeds terugkerende basispatronen — kunnen onderzoekers deze duizenden staafdiagrammen herleiden tot een beperkt aantal 'bouwstenen'. Elke bouwsteen is een mutatiesignatuur: een specifiek patroon dat in verschillende tumoren steeds weer in verschillende mengverhoudingen terugkeert.
Naast SBS-signaturen bestaan er ook signaturen voor andere typen schade: dubbele baseveranderingen (DBS), kleine inserties en deleties (ID, voor 'indels') en grootschalige veranderingen in het aantal kopieën van chromosoomstukken (CN, copy number). Samen vormen ze een steeds completer beeld van de 'schrijfstijl' van elk mutagene proces.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is drieledig. Ten eerste: oorzaken van kanker beter begrijpen. Door signaturen te koppelen aan bekende blootstellingen (roken, UV-licht, chemotherapie) of aan interne processen (verouderende DNA-reparatie, defecte enzymen), krijgen onderzoekers zicht op wat een tumor heeft doen ontstaan — soms decennia voordat de diagnose werd gesteld.
Ten tweede: behandeling op maat. Sommige signaturen wijzen direct op een kwetsbaarheid van de tumor. Een tumor met de zogeheten SBS3-signatuur mist bijvoorbeeld een goed werkend systeem voor het repareren van dubbelstrengsbreuken in DNA (homologe recombinatie, vaak door een defect BRCA1- of BRCA2-gen). Zulke tumoren reageren vaak opvallend goed op een specifieke groep medicijnen, de PARP-remmers. De signatuur functioneert dan als een soort biomarker die artsen helpt kiezen welke behandeling kans van slagen heeft.
Ten derde: preventie en volksgezondheid. Signaturen die samenhangen met vermijdbare blootstellingen (tabak, UV, bepaalde chemische stoffen, sommige chemotherapeutica) leveren hard bewijs voor het causale verband tussen die blootstelling en kanker, wat weer preventiebeleid kan onderbouwen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het fundament werd gelegd door Ludmil Alexandrov, Michael Stratton en collega's van het Wellcome Sanger Institute in Cambridge, die in 2013 in een veelgeciteerde publicatie voor het eerst een systematische catalogus van mutatiesignaturen presenteerden, gebaseerd op meer dan 7.000 tumoren.
In 2020 volgde een grote uitbreiding via het internationale Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG)-consortium, waarin onderzoekers van over de hele wereld de volledige genomen van bijna 2.800 tumoren uit 38 kankertypen analyseerden. Dit leverde een sterk uitgebreide signatuurcatalogus op, gepubliceerd in Nature, en vormt nog steeds de basis van de huidige referentiedatabase.
Een concreet klinisch voorbeeld is HRDetect, een door Serena Nik-Zainal (destijds Sanger Institute, later Cambridge) ontwikkeld algoritme dat mutatiesignaturen combineert om homologe-recombinatiedeficiëntie in borst- en eierstokkanker op te sporen, met als doel patiënten te selecteren die baat hebben bij PARP-remmers zoals olaparib.
In het Verenigd Koninkrijk is signatuuranalyse via het 100.000 Genomes Project van Genomics England, uitgevoerd in samenwerking met de NHS, stapsgewijs de klinische routine binnengebracht: bij bepaalde kankertypen wordt whole-genome sequencing gebruikt en wordt de mutatiesignatuur van de tumor standaard meegenomen in het diagnostische rapport.
Ook in blootstellingsonderzoek zijn signaturen gebruikt om bijvoorbeeld de vingerafdruk van bepaalde omgevingskankerverwekkers (zoals aristolochiazuur, een plantengif dat in delen van Azië en de Balkan in verband wordt gebracht met lever- en blaaskanker) direct in tumor-DNA aan te tonen.
Hoe ver is de techniek?
Mutatiesignaturen zijn wetenschappelijk gezien een volwassen en breed geaccepteerd vakgebied: de referentiedatabase COSMIC Mutational Signatures wordt beheerd door het Wellcome Sanger Institute en telt inmiddels tientallen erkende SBS-signaturen, plus aparte catalogi voor DBS- en ID-signaturen. Vrij beschikbare software zoals SigProfiler, deconstructSigs en het R-pakket MutationalPatterns maken de analyse toegankelijk voor onderzoekslabs wereldwijd.
De klinische toepassing loopt echter nog achter op de onderzoeksmatige rijpheid. Betrouwbare signatuurdetectie vereist doorgaans whole-genome sequencing, wat kostbaarder en trager is dan de gerichte gen-panels die in veel ziekenhuizen standaard zijn. Bovendien is niet elke signatuur eenduidig te herkennen in een enkele tumor: sommige signaturen lijken sterk op elkaar, en bij tumoren met relatief weinig mutaties (een lage 'mutational burden') is statistisch betrouwbare toewijzing lastig.
Een ander punt van onzekerheid is dat voor een aanzienlijk deel van de bekende signaturen de precieze biologische oorzaak nog niet is vastgesteld — ze zijn wel statistisch herkenbaar, maar wat ze veroorzaakt, is nog onderwerp van onderzoek. De methodologie zelf ontwikkelt zich ook nog: recentere versies van de COSMIC-catalogus bevatten meer signaturen en verfijningen dan de oorspronkelijke set uit 2013, en er wordt onderzocht hoe machine-learning-technieken de extractie en interpretatie verder kunnen verbeteren. Klinische implementatie op grote schaal buiten enkele voorloperprogramma's (zoals in het VK) staat dan ook nog in een relatief vroeg stadium.
Wie werken eraan?
Het Wellcome Sanger Institute in Cambridge (Verenigd Koninkrijk) geldt als het centrum van dit vakgebied, met Michael Stratton en Serena Nik-Zainal als toonaangevende onderzoekers en de bijbehorende COSMIC-database als wereldwijde referentiestandaard. Ludmil Alexandrov, medegrondlegger van het veld, zet het werk voort aan de University of California, San Diego (VS), onder meer met de ontwikkeling van SigProfiler-software.
Internationale samenwerkingsverbanden zoals het Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG)-consortium, voortbouwend op data van het International Cancer Genome Consortium (ICGC) en The Cancer Genome Atlas (TCGA) in de Verenigde Staten, leveren de grootschalige genoomdata die nodig is om signaturen te ontdekken en te valideren. In het Verenigd Koninkrijk brengt Genomics England, in samenwerking met de National Health Service (NHS), signatuuranalyse dichter bij de dagelijkse kankerzorg. Daarnaast dragen tal van universitaire kankercentra en genoominstituten wereldwijd — van Europa tot Oost-Azië — bij aan het uitbreiden en toetsen van de signatuurcatalogus aan lokale patiëntenpopulaties.