Abstract

células humanas normais exigir uma série de alterações genéticas que passar por transformação maligna. A sequenciação directa de tumores humanos identificou centenas de mutações em tumores, mas muitos destes são pensados ​​para ser desnecessária e um resultado de, em vez do que uma causa de, o tumor. O número exacto de mutações para transformar uma célula humana normal em uma célula de tumor é desconhecida. Aqui eu mostro que os tumores de células germinativas gonadais masculinos, a forma mais comum de câncer testicular, ocorre após quatro mutações. Infiro esta através da construção de um modelo matemático com base na hipótese de multi-golpe e comparando-a com os dados de incidência específicas da idade. Este resultado é consistente com a hipótese de multi-hit, e implica que estes cancros são geneticamente ou epigenetically predeterminado no nascimento ou idade precoce

Citation:. Brody JP Incidência de Dados (2011) Age-Specific Indique Quatro mutações são Necessário para câncer testicular humano. PLoS ONE 6 (10): e25978. doi: 10.1371 /journal.pone.0025978

editor: Amanda Ewart Toland, Ohio State University Medical Center, Estados Unidos da América

Recebido: 11 de junho de 2011; Aceito: 14 de setembro de 2011; Publicação: 06 de outubro de 2011

Direitos de autor: © 2011 James P. Brody. Este é um artigo de acesso aberto distribuído sob os termos da Licença Creative Commons Attribution, que permite uso irrestrito, distribuição e reprodução em qualquer meio, desde que o autor original ea fonte sejam creditados

Financiamento:. Esta pesquisa foi suportada pela Universidade da Califórnia. Os financiadores não tiveram nenhum papel no desenho do estudo, coleta de dados e análise, decisão de publicar ou preparação do manuscrito

CONFLITO DE INTERESSES:.. Os autores declararam que não existem interesses conflitantes

Introdução

os tumores originários de uma única célula após a célula acumula uma série de mutações de [1] – [6], de acordo com o modelo de multi-golpe de cancro [2], [3]. Estas mutações podem incluir muitos tipos diferentes de alterações no ADN incluindo a metilação, as substituições de bases únicas, duplicações e deleções ou de cromossomas. O número exacto de mutações necessárias para transformar uma célula humana normal em uma célula de tumor é desconhecida [7].

sequenciação de ADN directa dos tumores estabeleceu um limite superior para o número de mutações necessárias para transformar uma célula. Sequenciamento dos cânceres de mama e colorretal identificou cerca de 80 mutações em um tumor típico [8]. Através de análises estatísticas sugeriram que menos do que 15 dos 80 são necessárias [8]. Um segundo experimento sequenciado 623 genes relacionados com o cancro conhecidos em um conjunto de 188 adenocarcinomas pulmonares mostrando mais de 1000 mutações somáticas. Uma análise mais aprofundada identificados 26 genes que foram concluídos estar envolvidos na carcinogénese [9].

Um limite inferior para o número de mutações para transformar uma célula normal foi estabelecido no laboratório. Uma célula de tumor humano foi sintetizado a partir de células humanas normais (ambas as células epiteliais e fibroblastos), alterando a expressão de apenas três genes, o que efectuado quatro vias bioquímicas [6], [10]. Esta célula tumoral exibido as características clássicas de uma célula tumoral humana:. Ancoragem-independente crescimento e formação de tumores em ratos pelados

Acredita-se que os tumores de cólon requer de quatro a seis mutações [11]. Esta baseia-se comparar a equação de Armitage e Doll, [12], com dados de incidência específicas por idade. Mas muitos problemas existem com esta [13]: ela não consegue descrever os dados em idades mais avançadas; ela aumenta sem quaisquer limites superiores; e não incorporam expansão clonal.

cancros de células germinativas testiculares gonadais diferem de outros tumores sólidos em um número de maneiras. Em primeiro lugar, a incidência de tumores de células germinativas gonadal é mais elevada em cerca de 30 anos de idade e recusa-se a apenas um punhado de casos diagnosticados em homens em seus anos 70. Em comparação, a incidência de muitas outras tumores sólidos aumenta com a idade. Por outro lado, a quimioterapia de combinação é particularmente eficaz contra tumores de células germinativas testiculares gonadais em relação a outros tumores sólidos. Finalmente, a maioria dos tumores sólidos originários de células somáticas, enquanto a maioria dos cânceres testiculares surgir em células germinativas.

A causa dos tumores de células germinativas testiculares gonadal não é conhecido [14], [15]. Há fatores ambientais conhecidos afetar seu desenvolvimento [16]. A ligação familiar existe, mais forte nos irmãos do que pai e filhos [17]. câncer testicular mostrou a terceira mais alta herdabilidade, mas a maioria dos casos são esporádicos [18]. as taxas de idade padronizada de câncer de testículo têm aumentado ao longo das últimas décadas nos Estados Unidos [19] e em outras partes do mundo [20].

A associação mais forte de cancro testicular com quaisquer outras condições médicas é com criptorquidia, onde os testículos não descem para o escroto no nascimento. Cerca de 5 a 10% das pessoas que desenvolvem cancro testicular tinha undescended testículos no momento do nascimento, em comparação com cerca de 2 a 5% na população geral [21]. Não se sabe se a criptorquidia provoca câncer testicular ou se ambas são causadas por um fator comum.

existem

Duas hipóteses para a origem do câncer testicular. A primeira sugere que o câncer de testículo são determinados

in utero

ou em uma idade precoce [22], [23]. A segunda é que a exposição ambiental a substâncias cancerígenas ao longo da vida os leva ao desenvolvimento de um tumor, enquanto que a genética modifica este risco ambiental [24]. Embora esta segunda hipótese é amplamente acreditava, há pouca evidência de que mutagénicos ambientais causar qualquer uma das mutações pontuais observados em cancros humanos [25].

testes dessas hipóteses são misturados. Um estudo retrospectivo dos homens suecos descobriram que aqueles que foram submetidos a cirurgia antes da idade de 13 para corrigir testículos que não desceram tiveram um risco ligeiramente menor de desenvolver câncer testicular do que aqueles que não foram submetidos a cirurgia [21]. Isto sugere que os cancros testiculares não pode ser pré-determinado no momento do nascimento. No entanto, um estudo semelhante que contém quase o dobro de muitos assuntos na Dinamarca não encontrou nenhuma mudança significativa na incidência de câncer testicular após a cirurgia para testículos que não desceram [26].

Dois estudos de associação de genoma ampla identificadas várias mutações que predispõem ao desenvolvimento de tumores testiculares [27], [28]. Estas mutações estão localizadas em dois genes,

KITLG

e

SPRY4

, que são conhecidos por desempenhar um papel no desenvolvimento testicular. O estimado por odds ratio de alelos para estes estão entre os mais altos encontrados para qualquer estudo ampla associação genoma de um câncer [29].

Anteriormente, outros têm procurado entender a incidência específica por idade dos cancros com diferentes abordagens. Incluindo o uso de uma distribuição Weibull para câncer de pulmão [30], analisando a aceleração específica para a idade dos cancros [31], [32], modificando a equação Armitage boneca diretamente com um termo de amortecimento [33] – [35], e usando um de vários estágios modelo com o comportamento dependente da idade para estimar o número de mutações necessárias para desenvolver o cancro da mama [36]. Uma análise dos registros de câncer Dinamarca e da Noruega sugere que os dados de incidência específicas por idade câncer testicular são mais bem modelado com um efeito de fragilidade, em que uma parte da população não é suscetível a desenvolver o câncer [37].

A objetivo deste trabalho é determinar quantas mutações são necessárias para desenvolver cancro testicular. A abordagem é comparar a incidência específica por idade esperado, baseado no modelo multi-hit, com a incidência específica por idade medido para câncer testicular.

Resultados

A incidência específica por idade para câncer testicular é descrito com precisão pela equação (1), com quatro mutações. A Figura 1 mostra uma comparação entre a Equação (1) e os dados para todos os oito anos. Isto também implica que o câncer testicular desenvolver a partir de uma única célula progenitora. A Tabela 1 mostra os parâmetros e estimativas de erro e p-valor para anos individuais.

Os círculos pretos representam a incidência de medição, as barras de erro são intervalos de confiança de 95%, e a linha sólida verde representa a incidência prevista por o modelo multi-hit com quatro mutações.

Figura 2 compara os melhores ajustes para os modelos com três, quatro e cinco mutações. O modelo com quatro mutações foi o melhor ajuste. Três mutações fornecido um ajuste um pouco pior no intervalo de 15-20 e 65-75 idade, enquanto cinco mutações fornecido um ajuste muito pior na gama de 10-25 anos, mas não se distinguia de 4 mutações no intervalo de 50-75 anos.

Para enfatizar as diferenças, apenas as regiões antes da idade de 25 anos e depois de 50 anos de idade são mostrados. Todos os três modelos mostram perto ajuste para os dados entre 25 e 50 anos de idade. Os modelos com quatro mutações e cinco mutações são idênticos após a idade de 50.

Eu medi a probabilidade de avançar para a próxima fase em por ano. Este mede apenas a probabilidade de uma mutação que iria avançar o tecido pré-canceroso mais um passo para o câncer, e não é directamente comparável com as taxas de mutação medidos. mutações humana da linha germinal variam em todo o genoma por ordens de magnitude [38]; uma única taxa de mutação não pode caracterizar com precisão o processo.

Discussão

A abordagem aqui apresentada implicitamente assume que a probabilidade de avançar para a próxima fase, que pode ser associado com uma taxa de mutação, é constante . Complexidade pode ser adicionado ao modelo, modificando esta suposição. Pelo menos dois mecanismos diferentes possam modificar a taxa de mutação em um tecido pré-canceroso. Em primeiro lugar, o fenótipo mutador hipótese sugere que uma das primeiras mutações no caminho para um tumor deve resultar numa taxa de mutação superior [39]. Em segundo lugar, o processo de expansão clonal pode expandir o grupo de células de uma só fase, aumentando a probabilidade de fazer avançar para o próximo estágio [40] – [42]. Desde a suposição mais simples, uma probabilidade constante de avançar, foi suficiente, neste caso, eu não estender o modelo para incluir uma taxa de probabilidade de mudança.

As mutações são adições cromossômicas mais prováveis ​​ou supressões, e não alterações de uma única base . Estudos citogenéticos de seminoma e não seminoma câncer testicular demonstraram alterações compatíveis com vários cromossomos. Em particular, a amplificação de uma região do cromossoma 12p contendo vários genes conhecidos é muitas vezes presente [43].

Embora quatro mutações são necessários para o desenvolvimento de cancros testiculares, essas mutações podem alterar mais do que quatro genes e vias bioquímicas . Além disso, outras mutações que não são limitação de taxa pode ocorrer. limitação da taxa de mutações não não alteraria os dados de incidência específicas por idade.

Um problema potencial com esta análise é que ele assume nenhuma mudança significativa a longo prazo na taxa de câncer testicular. Os dados SEER-9 mostram que a taxa de câncer testicular ajustada por idade aumentou em cerca de 7% ao ano entre 1973 e 2008. A forma padrão para lidar com variação temporal nas taxas de câncer é a primeira a analisar modelos de idade, em seguida, a idade mais tração, em seguida, a idade-período e /ou grupo etário e, finalmente, modelos idade-período-coorte [44], [45]. Cada adição de complexidade requer parâmetros adicionais e reduz o número de graus de liberdade. Desde a idade único modelo apresentou bom ajuste aos dados, ainda mais a complexidade foi evitado. No entanto, os futuros trabalhos sobre a incidência específica para a idade de câncer testicular deve explorar se esses modelos mais complexos fornecer soluções alternativas.

complexidade adicional ao modelo poderia ser adicionado de diferentes maneiras. Para ter em conta as mutações hereditárias, o modelo pode consistir de dois termos independentes similares com a Equação (1). O primeiro termo exigiria mutações e o segundo termo exigiria mutações. Para dar conta de várias vias pelas quais o câncer de testículo pode desenvolver, o modelo pode ser estendido pela adição de um segundo mandato com parâmetros independentes do primeiro. Nenhuma destas adições são necessárias, mas os dados não exclui a possibilidade de esses processos mais complexos.

O acordo entre os dados de incidência específicas por idade e Equação (1) implica que o câncer de testículo têm um único progenitor potencial célula. Isto contrasta com a maioria dos outros tipos de tumores sólidos que são pensados ​​para ter muitas, muitas células progenitoras potenciais.

Os dados de incidência específica por idade implica que o câncer de testículo são pré-determinado antes da idade de 10 e, possivelmente, no nascimento quer através de genética ou epigenética [46] predisposição. Esta informação é inconsistente com a hipótese de que a exposição a agentes cancerígenos ambientais em homens maduros levar ao desenvolvimento de um tumor testicular.

Métodos

O modelo multi-hit descreve uma série de tentativas de Bernoulli independentes. Um número aleatório é desenhada entre zero e um. Se o número for menor do que, nenhuma mutação ocorre; se for maior que, uma mutação ocorre. O processo é repetido periodicamente. Quando mutações ter ocorrido, um tumor começa a desenvolver. O tumor cresce, por meio da expansão clonal, ao longo de um tempo adicional até que seja detectado como um cancro. O tempo também pode estar relacionado com o crescimento e desenvolvimento normal. Esse processo ocorre em uma fração da população, que se encontra em algum lugar entre 0 e 100%.

Com base nestes pressupostos, a distribuição de probabilidade para a idade em que o câncer testicular é diagnosticada deve ser dada pela solução para o série de ensaios de Bernoulli independentes, a distribuição binomial negativo [47] (1) a incidência específica para a idade mede a função de risco, o qual está relacionado com a equação (1), dividindo pela razão da população total para a população em risco. Os machos que tenham sido previamente diagnosticados com câncer de testículo são removidos da população total para produzir a população em risco. O efeito disto é, no máximo, em e podem ser ignorados neste caso, uma vez que é dominado pelo erro de amostragem predominante

.

Um pressuposto na derivação da equação (1) é que uma única célula progenitora existe no tecido. Se existem muitas células progenitoras, como se pensa ocorrer na maioria dos tecidos, em seguida, o cancro é diagnosticada quando o primeiro destes muitas células se desenvolve em um tumor. Neste caso, a primeira ordem estatística, ou a distribuição do mínimo, da Equação (1) é a equação apropriada para comparar com os dados de incidência específicas da idade. Isso seguem uma distribuição Weibull [30], [48].

Eu testei a hipótese de que os dados de incidência específicas por idade em tumores de células germinativas testiculares é descrito com precisão pela equação (1). Eu executei uma mínimos quadrados encaixam para determinar os parâmetros da equação para todos os oito anos no conjunto de dados. Então, I calculado o valor de qui-quadrado reduzida e o valor p associado, tendo em conta o número de graus de liberdade, de 53. O valor de p, apresentados na Tabela 1, indica a probabilidade de que a hipótese não deve ser rejeitado.

nos Estados Unidos, a Vigilância, Epidemiologia e resultados finais (SEER) programa do National Cancer Institute (NCI) recolhe dados sobre casos de câncer. É considerado o padrão-ouro para a qualidade dos dados para registros de câncer. Ele coleta dados de 17 regiões geográficas diferentes que abrangem a pouco mais de 26% da população dos Estados Unidos [49]. Estes dados são combinados com dados do Censo dos Estados Unidos sobre a população, em função da idade, nos estes 17 áreas geográficas para calcular a incidência específica por idade.

I obtido dados de incidência específicas por idade tumor de células germinativas testiculares usando SEER * Stat (versão 6.6.2) [50]. SEER * Stat permite consultar facilmente os arquivos de casos SEER. Eu consultado o banco de dados publicado em Novembro de 2009, o banco de dados de incidência SEER 17 com idades individuais e 85 [49]. Este foi o mais recente disponível. Selecionei todos os tumores relataram que estavam no sexo masculino, localizado no testículo, e classificados como células germinativas ou tumores ou neoplasias trofoblásticas de gônadas, num total de 16,291 casos. I excluídos câncer testicular diagnosticados antes dos 13 anos de idade, porque eles eram provavelmente devido a um mecanismo diferente, foram excluídos 88 casos. Os pacientes diagnosticados antes da idade de quatro anos são provavelmente tumores do saco teratoma-gema [43]. Estes representam apenas uma pequena fração (0,5%) de todos os cânceres de testículo. (De 2000-2007, o vidente-17 registros registou 88 tipos de câncer de células germinativas testiculares em pacientes menores de 13 anos, 72 destes cancros foram diagnosticados nos primeiros 36 meses de vida.)

Eu comparei A equação (1) para dados de incidência específicas por idade recolhidos pelos registros de câncer SEER-17 2000-2007 sobre a incidência de câncer testicular, tanto seminomas e não-seminomas. Eu comparei essas equações com os dados de idades de 13 a 70 anos de idade e com o número de mutações, variando de três a cinco. Esta comparação foi efectuada através da minimização do valor de qui-quadrado reduzido [51] utilizando o algoritmo de gradiente reduzido generalizada. Este algoritmo é adequado para a minimização de funções não lineares. Eu usei vários pontos de partida para garantir que a solução dada foi o mínimo global e não um mínimo local.

Eu calculei estimativas de erro através da medição dos parâmetros e por oito anos individuais (2000-2007) e tomar o desvio padrão destes oito valores. A incerteza no parâmetro, que representa o número de mutações necessárias para o desenvolvimento de um tumor, foi medida por modelos comparando por três, quatro, cinco e mutações, como mostrado na Tabela 2.