Abstract
Normale menneskelige celler krever en rekke genetiske endringer gjennomgå malign transformasjon. Direkte sekvensering av humane tumorer har identifisert flere hundre mutasjoner i tumorer, men mange av disse er antatt å være unødvendig, og et resultat av, i stedet for et årsak, tumoren. Det nøyaktige antallet mutasjoner for å transformere en normal menneskecelle inn i en tumorcelle er ukjent. Her viser jeg at mannlige gonadale bakterie celle svulster, den vanligste formen for testikkelkreft kreft, inntreffer etter fire mutasjoner. Jeg antyde dette ved å konstruere en matematisk modell basert på multi-hit hypotesen og sammenligne den med de aldersspesifikke insidensdata. Dette resultatet er i samsvar med multi-hit hypotesen, og innebærer at disse kreftformene er genetisk eller epigenetiske forhåndsbestemt ved fødselen eller i tidlig alder
Citation. Brody JP (2011) Aldersspesifikke Forekomst data indikerer fire mutasjoner er kreves for Menneskelig testikkelkreft kreft. PLoS ONE 6 (10): e25978. doi: 10,1371 /journal.pone.0025978
Redaktør: Amanda Ewart Toland, Ohio State University Medical Center, USA
mottatt: 11 juni 2011; Godkjent: 14 september 2011; Publisert: 06.10.2011
Copyright: © 2011 James P. Brody. Dette er en åpen-tilgang artikkelen distribueres under betingelsene i Creative Commons Attribution License, som tillater ubegrenset bruk, distribusjon og reproduksjon i ethvert medium, forutsatt den opprinnelige forfatteren og kilden krediteres
Finansiering:. Denne forskningen ble støttet av University of California. Finansiører hadde ingen rolle i studiedesign, datainnsamling og analyse, beslutning om å publisere, eller utarbeidelse av manuskriptet
Konkurrerende interesser:.. Forfatterne har erklært at ingen konkurrerende interesser eksisterer
Innledning
Svulster stammer fra en enkelt celle etter celle akkumulerer en rekke mutasjoner [1] – [6], i henhold til den multi-hit modell av kreft [2], [3]. Disse mutasjonene kan omfatte mange ulike typer endringer i DNA inkludert metylering, enkle basis erstatninger, og duplikasjoner eller sletting av kromosomer. Det nøyaktige antallet mutasjoner som kreves for å omdanne en normal menneskecelle inn i en tumorcelle er ukjent [7].
direkte DNA-sekvensering av svulster har fastsatt en øvre grense på antall mutasjoner som kreves for å transformere en celle. Sekvensering av bryst og kolorektal kreft identifisert omtrent 80 mutasjoner i et typisk tumor [8]. Ytterligere statistisk analyse antydet at mindre enn 15 av disse 80 er nødvendige [8]. Et andre forsøk sekvensert 623 kjente kreft-relaterte gener i et sett med 188 lunge adenokarsinomer som viser mer enn 1000 somatiske mutasjoner. Videre analyser identifisert 26 gener som ble inngått for å være involvert i kreftutvikling [9].
Det er etablert en nedre grense på antall mutasjoner for å transformere en normal celle i laboratoriet. En human tumorcelle ble syntetisert fra normale humane celler (både epitelceller og fibroblast-celler) ved å forandre ekspresjon av kun tre gener, noe som bevirket fire biokjemiske mekanismer [6], [10]. vises denne tumorcelle de klassiske kjennetegn ved et menneske tumorcelle:. forankringsuavhengig vekst og dannelse av svulster i nakne mus
Det er allment antatt at colontumorer krever fire til seks mutasjoner [11]. Dette er basert på å sammenligne Armitage og Doll ligning, [12], til aldersspesifikke insidensdata. Men mange problemer eksisterer med dette [13]: det ikke klarer å beskrive data på eldre aldersgrupper; det øker uten noen øvre grenser; og det tar ikke hensyn til klonal ekspansjon.
Testicular gonadale bakterie celle kreft skiller seg fra andre solide tumorer i en rekke måter. For det første er forekomsten av gonadale bakterie celle svulster høyeste på ca 30 år og nekter å bare en håndfull tilfeller diagnostisert hos menn i 70-årene. Til sammenligning var forekomsten av mange andre solide tumorer øker med alderen. For det andre er kombinasjonskjemoterapi spesielt effektiv mot testikulære gonadale bakterie celle svulster i forhold til andre solide tumorer. Til slutt, mest solide tumorer opprinnelse i somatiske celler, mens de fleste testikkelkreft kreft oppstår i kjønnsceller.
Årsaken til testikkelkreft gonadale bakterie celle svulster er ikke kjent [14], [15]. Ingen kjente miljøfaktorer påvirker dens utvikling [16]. En familie koblingen finnes, sterkere brødre enn far og sønner [17]. Testikkelkreft kreft viste den tredje høyeste arvbarhet, men de fleste tilfellene er sporadisk [18]. Alder standardisert forekomst av testikkelkreft har økt de siste tiårene i USA [19] og i andre deler av verden [20].
Den sterkeste foreningen av testikkelkreft med eventuelle andre medisinske tilstander er med kryptorkisme, hvor testiklene ikke ned i pungen ved fødselen. 5 til 10% av de som utvikler testikkelkreft hadde retinerte testikler ved fødselen, sammenlignet med ca 2-5% i den generelle befolkningen [21]. Det er ikke kjent om kryptorkisme forårsaker testikkelkreft kreft eller om begge er forårsaket av en felles faktor.
To hypoteser eksisterer for opprinnelsen av testikkelkreft kreft. Den første antyder at testikkelkreft kreft er bestemt
i utero
eller i tidlig alder [22], [23]. En annen er at miljømessig eksponering for kreftfremkallende gjennom de levetid fører til utvikling av en tumor, mens genetikk modifiserer denne miljørisiko [24]. Selv om denne andre hypotesen er allment antatt, finnes lite bevis for at miljø mutagener forårsake noen av punktmutasjoner observert i humane kreftformer [25].
Tester av disse hypotesene er blandet. En retrospektiv studie av svenske menn fant at de som gjennomgikk kirurgi før fylte 13 for å rette retinerte testikler hadde en noe lavere risiko for å utvikle testikkelkreft enn de som ikke opereres [21]. Dette tyder på at testikkelkreft kreft ikke kunne forhåndsbestemt ved fødselen. Men en tilsvarende studie som inneholder nesten dobbelt så mange fag i Danmark fant ingen signifikant endring i forekomst av testikkelkreft etter kirurgi for retinerte testikler [26].
To genom bredt assosiasjonsstudier identifisert flere mutasjoner som disponerer til utviklingen av testikler svulster [27], [28]. Disse mutasjonene er lokalisert i to gener,
KITLG Hotell og
SPRY4
, som er kjent for å spille en rolle i utvikling av testikler. Den estimerte per allel odds ratio for disse er blant de høyeste funnet for noen genom bred sammenslutning studie av kreft [29].
Tidligere har andre forsøkt å forstå aldersspesifikke forekomsten av kreft med ulike tilnærminger. Blant annet ved hjelp av en Weibull-fordeling for lungekreft [30], analysering av aldersspesifikke akselerasjon av kreft [31], [32], kan endring av Armitage dukke ligning direkte med en dempe sikt [33] – [35], og ved hjelp av en flertrinns modellen med aldersavhengig oppførsel til å anslå hvor mange mutasjoner som kreves for å utvikle brystkreft [36]. En analyse av danske og norske kreftregistre tyder på at testikkelkreft aldersspesifikke insidensdata er best modellert med en skrøpelighet effekt, der en del av befolkningen er ikke-utsatt for å utvikle kreft [37].
Målet med denne artikkelen er å finne ut hvor mange mutasjoner er nødvendig for å utvikle testikkelkreft. Tilnærmingen er å sammenligne den forventede aldersspesifikke forekomsten, basert på multi-hit modell, med den målte aldersspesifikke forekomsten av testikkelkreft kreft.
Resultater
Den aldersspesifikke forekomsten av testikkelkreft kreft er nøyaktig beskrevet ved ligning (1) med fire mutasjoner. Figur 1 viser en sammenligning mellom ligning (1) og data for alle åtte år. Dette innebærer også at testikkelkreft kreft utvikles fra en enkelt stamceller. Tabell 1 viser parametre og feilestimater, og p-verdi for det enkelte år.
De svarte sirkler representerer målte forekomst, feil barer er 95% konfidensintervall, og den grønne streken som representerer forekomsten spådd av multi-hit modell med fire mutasjoner.
Figur 2 sammen de beste passer for modeller med tre, fire og fem mutasjoner. Modellen med fire mutasjoner var den beste passform. Tre mutasjoner ga en litt dårligere form i 15-20 og 65-75 aldersgruppe, mens fem mutasjoner gitt et mye verre form i størrelsesorden 10-25 år, men var umulig å skille fra 4 mutasjoner i 50-75 aldersgruppe.
for å understreke forskjellene, bare områder før fylte 25, og etter fylte 50 er vist. Alle tre modellene viser tett tilpasning til dataene mellom 25 og 50 år. Modellene med fire mutasjoner og fem mutasjoner er identiske etter fylte 50.
Jeg målte sannsynlighet for å gå videre til neste trinn ved per år. Denne måler bare sannsynligheten for at en mutasjon som ville fremme forstadier vev et nytt skritt mot kreft, og er ikke direkte sammenlignbare med målt mutasjon priser. Menneskelig bakterie linje mutasjoner varierer over hele genomet av størrelsesordener [38]; én mutasjonsraten kan ikke nøyaktig karakterisere prosessen.
Diskusjoner
Den tilnærmingen presenteres her implisitt forutsetter at sannsynligheten for å gå videre til neste trinn, som kan være forbundet med en mutasjonsraten er konstant . Kompleksiteten kan bli lagt til modellen ved å endre denne antagelsen. Minst to forskjellige mekanismer som kan modifisere den mutasjonsfrekvensen i en forhånds kreftvev. Først, mutator fenotypen hypotese antyder at ett av de første mutasjoner på banen til en svulst må resultere i en høyere mutasjonsfrekvens [39]. For det andre, kan prosessen med klonal ekspansjon utvide utvalget av celler på en scene, noe som øker sannsynligheten for å gå videre til det neste trinn [40] – [42]. Siden den enkleste antagelse, en konstant sannsynlighet for fremmarsj, var tilstrekkelig i dette tilfellet, det gjorde jeg ikke utvide modellen til å inkludere en endring sannsynlighet hastighet.
De mutasjoner er mest sannsynlig kromosom tillegg eller slettinger, ikke enkeltbasis endringer . Cytogenetiske studier av seminom og non-seminom testikkelkreft kreft har vist konsistente endringer i flere kromosomer. Spesielt er amplifisering av et område av kromosomet som inneholder 12p flere kjente gener ofte fore [43].
Selv om fire mutasjoner er nødvendig for utviklingen av testikler krefttyper, kan disse mutasjonene forandre mer enn fire gener og biokjemiske mekanismer . I tillegg kan andre mutasjoner som ikke blir hastighetsbegrensende forekomme. Ikke sats begrense mutasjoner ville ikke endre aldersspesifikke insidensdata.
Et potensielt problem med denne analysen er at det forutsetter ingen signifikant langsiktig endring i frekvensen av testikkelkreft kreft. Seeren-9 data viser at aldersjusterte testikkelkreft satsen har økt med ca 7% per år fra 1973 til 2008. Den vanlige måten for å håndtere tidsmessig variasjon i kreftforekomsten er å først analysere alders modeller, deretter alder pluss drift, deretter aldersperioden og /eller alder-kohort, og til slutt alders periode-kohort modell [44], [45]. Hver tilsetning av kompleksitet krever ytterligere parametere og reduserer antallet av frihetsgrader. Siden alder eneste modellen ga en god tilpasning til dataene, ble ytterligere kompleksitet unngås. Imidlertid bør det videre arbeidet med aldersspesifikke forekomsten av testikkelkreft undersøke om disse mer komplekse modeller tilby alternative løsninger.
Tilleggs kompleksiteten til modellen kan legges på forskjellige måter. For å ta høyde for arvet mutasjoner, kan modellen består av to uavhengige vilkår tilsvarende ligning (1). Det første leddet vil kreve mutasjoner og andre sikt ville kreve mutasjoner. For å ta høyde for flere veier der testikkelkreft kan utvikle seg, kan modellen bli utvidet ved å legge til en ny periode med uavhengige parametere fra den første. Ingen av disse tilleggene er nødvendig, men dataene ikke utelukke muligheten for disse mer komplekse prosesser.
Avtalen mellom de aldersspesifikke insidensdata og ligning (1) innebærer at testikkelkreft kreft har en eneste potensiell stamfar celle. Dette i motsetning til de fleste andre typer solide svulster som er tenkt å ha mange, mange potensielle stamceller.
Den aldersspesifikke forekomsten data innebærer at testikkelkreft kreft er forhåndsbestemt før fylte 10 og muligens ved fødselen enten gjennom genetiske eller epigenetisk [46] predisposisjon. Denne informasjonen er uforenlig med en hypotese der eksponering for miljøkreftfremkallende i modne menn føre til utvikling av en testicular svulst.
Metoder
Den multi-hit modell beskriver en rekke uavhengige Bernoulli-forsøk. Et tilfeldig tall er trukket mellom null og en. Hvis tallet er mindre enn, skjer det ingen mutasjon; dersom den er større enn, oppstår det en mutasjon. Fremgangsmåten gjentas med jevne mellomrom. Når har oppstått mutasjoner, begynner en svulst for å utvikle seg. Svulsten vokser gjennom klonal ekspansjon, over en ekstra gang før det blir oppdaget som en kreft. Tiden kan også være relatert til normal vekst og utvikling. Denne prosessen skjer på en brøkdel av befolkningen, som ligger et sted mellom 0 og 100%.
Under disse forutsetningene, sannsynlighetsfordelingen for den alder hvor testikkelkreft er diagnostisert bør gis av løsningen på rekke uavhengige Bernoulli-forsøk, den negative binomial fordeling [47] (1) aldersspesifikke forekomst måler fare funksjon, som er relatert til ligning (1) ved å dividere med forholdet mellom den totale populasjonen til den utsatte populasjon. Menn som tidligere har blitt diagnostisert med testikkelkreft er fjernet fra den totale befolkningen til å produsere den utsatte befolkningen. Effekten av dette er at de fleste av og kan ignoreres i dette tilfellet, siden det overveldes av den dominerende prøvetaking feil.
En antagelse i utledningen av Ligning (1) er at en enkelt stamceller eksisterer i vev. Dersom mange progenitorceller eksistere, som er tenkt å forekomme i de fleste vev, så kreft er diagnostisert når den første av disse mange celler utvikler seg til en tumor. I dette tilfellet, den første bestillingen statistikken, eller distribusjon av minimum, av ligning (1) er riktig ligning for å sammenligne med de aldersspesifikke insidensdata. Dette ville følge en Weibull fordeling [30], [48].
Jeg testet hypotesen om at de aldersspesifikke insidensdata om testikkelkreft bakterie celle svulster er nøyaktig beskrevet av ligning (1). I utførte en minste kvadraters metode for å bestemme parametrene i ligningen for alle åtte år i datasettet. Da jeg beregnet redusert chi-kvadratverdien og den tilhørende p-verdi, gitt antall frihetsgrader, 53. P-verdien, er vist i tabell 1, angir sannsynligheten for at den hypotese ikke skal forkastes.
i USA, overvåkning, epidemiologi, og sluttresultatet (seer) Program av National Cancer Institute (NCI) samler inn data om krefttilfeller. Det regnes som gullstandard for datakvaliteten for kreftregistre. Det samler inn data fra 17 ulike geografiske regioner som omfatter i overkant av 26% av befolkningen i USA [49]. Denne informasjonen blir kombinert med US Census data om befolkning, som en funksjon av alder, i disse 17 geografiske områder for å beregne aldersspesifikke forekomsten.
Jeg fikk testikkelkreft bakterie celle tumor aldersspesifikke insidensdata hjelp sEER * Stat (versjon 6.6.2) [50]. SEER * Stat gjør det mulig å enkelt søke seeren saksmapper. Jeg spurte databasen publisert i november 2009, seeren 17 forekomsten database med enkle aldre til 85 [49]. Dette var den nyeste tilgjengelige. Jeg valgte alle rapporterte svulster som var hos menn, som ligger i testiklene, og klassifisert som bakterie celle eller trofoblastisk svulster eller svulster i gonadene, totalt 16,291 tilfeller. Jeg utelukket testikkelkreft kreft diagnostisert før fylte 13, fordi de var sannsynligvis på grunn av en annen mekanisme, ble 88 tilfeller ekskludert. De diagnostisert før fylte fire er trolig teratom-plommesekken svulster [43]. Dette utgjør bare en liten brøkdel (0,5%) av alle testikkelkreft kreft. (Fra 2000 til 2007, seeren-17 registre registrert 88 testikkelkreft bakterie celle kreft hos pasienter under 13 år, 72 av disse kreftformene ble diagnostisert i de første 36 månedene av livet.)
I forhold ligning (1) for å aldersspesifikke forekomst data innsamlet av seer-17 kreftregistre 2000-2007 på forekomsten av testikkelkreft kreft, både nomas og ikke-seminomas. Jeg sammenlignet disse ligningene med data fra alderen 13 til 70 år med antall mutasjoner,, fra tre til fem. Denne sammenligningen ble gjort ved å minimere den reduserte chi-kvadrat verdi [51] med Generalized Reduced Gradient algoritme. Denne algoritme er egnet for å minimalisere ikke-lineære funksjoner. Jeg brukte flere startpunkter for å sikre at løsningen gitt var det globale minimum og ikke et lokalt minima.
Jeg regnet feil anslag ved å måle parametrene og for åtte individuelle år (2000-2007) og ta standardavviket av disse åtte verdier. Usikkerhet i parameteren, som representerer antallet av mutasjoner som kreves for å utvikle en tumor, ble målt ved å sammenligne modellene for tre, fire og fem mutasjoner, som vist i tabell 2.
