Extracto
Las células humanas normales requieren una serie de alteraciones genéticas a sufrir una transformación maligna. La secuenciación directa de los tumores humanos ha identificado cientos de mutaciones en los tumores, pero muchos de ellos se cree que son innecesarios y un resultado de, en lugar de una causa de, el tumor. El número exacto de mutaciones para transformar una célula humana normal en una célula tumoral es desconocida. Aquí se muestra que los tumores de células germinales gonadales masculinas, la forma más común de los cánceres testiculares, se producen después de cuatro mutaciones. Deduzco esto mediante la construcción de un modelo matemático basado en la hipótesis de un hit y comparándolo con los datos de incidencia específicas por edad. Este resultado es consistente con la hipótesis de múltiples golpeado, e implica que estos cánceres son predeterminados genéticamente o epigenético en el nacimiento o una edad temprana
Visto:. Indique Brody JP (2011) específicas por edad Incidencia datos Cuatro mutaciones se requerido para los cánceres de testículo humano. PLoS ONE 6 (10): e25978. doi: 10.1371 /journal.pone.0025978
Editor: Amanda Ewart Toland, Ohio State University Medical Center, Estados Unidos de América
Recibido: 11 Junio, 2011; Aceptado: September 14, 2011; Publicado: 6 Octubre 2011
Copyright: © 2011 James P. Brody. Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la licencia Creative Commons Attribution License, que permite el uso ilimitado, distribución y reproducción en cualquier medio, siempre que el autor original y la fuente se acreditan
Financiación:. Esta investigación fue apoyada por la Universidad de California. Los donantes no tenía papel en el diseño del estudio, la recogida y análisis de datos, decisión a publicar, o la preparación del manuscrito
Conflicto de intereses:.. Los autores han declarado que no existen intereses en competencia
Introducción
los tumores se originan a partir de una sola célula después de la célula acumula una serie de mutaciones [1] - [6], de acuerdo con el modelo multi-hit del cáncer [2], [3]. Estas mutaciones pueden incluir muchos tipos diferentes de modificaciones en el ADN incluyendo la metilación, las sustituciones de una sola base, y duplicaciones o deleciones de los cromosomas. El número exacto de las mutaciones necesarias para transformar una célula humana normal en una célula tumoral es desconocida [7].
secuenciación directa del ADN de los tumores ha establecido un límite superior en el número de mutaciones requeridas para transformar una célula. La secuenciación de los cánceres de mama y colorrectal identificó alrededor de 80 mutaciones en un tumor típico [8]. Además análisis estadístico sugirió que menos de 15 de los 80 son necesarios [8]. Un segundo experimento se secuenció 623 genes conocidos relacionados con el cáncer en un conjunto de 188 adenocarcinomas de pulmón que muestran más de 1000 mutaciones somáticas. Un análisis más detallado identificó 26 genes que se firmaron estar involucrados en la carcinogénesis [9].
Un límite inferior del número de mutaciones para transformar una célula normal se ha determinado en el laboratorio. Una célula de tumor humano se sintetizó a partir de células humanas normales (tanto las células epiteliales y fibroblastos) mediante la alteración de la expresión de los tres genes, que efectúa cuatro vías bioquímicas [6], [10]. Esta célula tumoral muestra las características clásicas de una célula tumoral humana:. Anclaje independiente de crecimiento y la formación de tumores en ratones desnudos
La opinión generalizada es que los tumores de colon requieren de cuatro a seis mutaciones [11]. Esto se basa en la comparación de la ecuación Armitage y muñeca, [12], a los datos de incidencia específicas por edad. Sin embargo, existen muchos problemas con esta [13]: se produce un error para describir los datos a edades más avanzadas; aumenta sin ningún tipo de límites superiores; y no incorpora la expansión clonal.
testiculares de células germinales gonadales cánceres difieren de otros tumores sólidos en un número de maneras. En primer lugar, la incidencia de tumores de células germinales gonadales es más alto en cerca de 30 años de edad y se niega a sólo un puñado de casos diagnosticados en hombres en los 70 años. En comparación, la incidencia de muchas otros tumores sólidos aumenta con la edad. En segundo lugar, la quimioterapia de combinación es particularmente eficaz contra los tumores de células germinales gonadales testiculares en comparación con otros tumores sólidos. Por último, los tumores sólidos más se originan en las células somáticas, mientras que surgen la mayoría de los cánceres testiculares en las células germinales.
La causa de los tumores de células germinales testiculares gonadales no se conoce [14], [15]. No hay factores ambientales conocidos afectan a su desarrollo [16]. Existe un vínculo familiar, más fuerte en los hermanos que padre e hijos [17]. cánceres testiculares mostraron la tercera heredabilidad más alto, pero la mayoría de los casos son esporádicos [18]. las tasas ajustadas por edad de cáncer testicular se han incrementado en las últimas décadas en los Estados Unidos [19] y en otras partes del mundo [20].
La asociación más fuerte del cáncer testicular con cualquier otra condición médica es con criptorquidia, cuando los testículos no descienden al escroto al nacer. Alrededor del 5 al 10% de las personas que desarrollan cáncer de testículos no descendidos habían testículos al nacer, en comparación con alrededor de 2 a 5% en la población general [21]. No se sabe si la criptorquidia causa de cáncer testicular o si ambos son causados por un factor común.
Existen
Dos hipótesis sobre el origen de los cánceres testiculares. La primera sugiere que los cánceres testiculares se determinan
en el útero o
a una edad temprana [22], [23]. Una segunda es que la exposición ambiental a agentes cancerígenos a través de los vida conduce al desarrollo de un tumor, mientras que la genética modifica este riesgo ambiental [24]. Aunque esta segunda hipótesis se cree ampliamente, existe poca evidencia de que los mutágenos ambientales causan ninguna de las mutaciones puntuales observados en los cánceres humanos [25].
Las pruebas de estas hipótesis se mezclan. Un estudio retrospectivo de los varones suecos encontró que aquellos que se sometieron a cirugía antes de los 13 años para corregir testículos no descendidos tenían un riesgo ligeramente menor de desarrollar cáncer testicular que aquellos que no se sometieron a la cirugía [21]. Esto sugiere que los cánceres testiculares no podían ser predeterminados en el nacimiento. Sin embargo, un estudio similar que contiene casi el doble de los sujetos en Dinamarca encontró ningún cambio significativo en la incidencia de cáncer testicular después de la cirugía para los testículos no descendidos [26].
Dos estudios de asociación de genoma amplio varias mutaciones identificadas que predisponen a la el desarrollo de los tumores testiculares [27], [28]. Estas mutaciones se encuentran en dos genes,
KITLG
y
SPRY4
, que se sabe que juega un papel en el desarrollo testicular. El estimado por probabilidades alelo proporción de éstos se encuentran entre los más altos encontrados para cualquier genoma estudio de asociación amplia de un cáncer [29].
Con anterioridad, otros han tratado de comprender la incidencia específica de la edad de los cánceres con diferentes enfoques. Incluyendo el uso de una distribución de Weibull para el cáncer de pulmón [30], el análisis de la aceleración por edad de cáncer [31], [32], la modificación de la ecuación Armitage muñeca directamente con un término de amortiguamiento [33] - [35], y usando una de varias etapas modelo con un comportamiento dependiente de la edad para estimar el número de mutaciones necesarias para desarrollar cáncer de mama [36]. Un análisis de los registros de cáncer de Dinamarca y Noruega sugiere que los datos de incidencia específicas por edad de cáncer testicular se modelan mejor con un efecto de fragilidad, donde una parte de la población no es susceptible de desarrollar el cáncer [37]
.
La objetivo de este trabajo es determinar el número de mutaciones son necesarias para desarrollar cáncer testicular. El método consiste en comparar la incidencia específica por edad era de esperar, basándose en el modelo multi-hit, con la incidencia específica por edad medido para los cánceres testiculares.
Resultados
La incidencia específica por edad para cánceres testiculares se describe con precisión por la ecuación (1) con cuatro mutaciones. La Figura 1 muestra una comparación entre la ecuación (1) y los datos para los ocho años. Esto también implica que los cánceres testiculares se desarrollan a partir de una única célula progenitora. La Tabla 1 muestra los parámetros y estimaciones de error y valor de p para los distintos años.
Los círculos negros representan la incidencia medido, las barras de error son intervalos de confianza del 95%, y la línea continua verde representa la incidencia predicha por el modelo multi-hit con cuatro mutaciones.
Figura 2 compara los mejores ajustes para modelos con tres, cuatro y cinco mutaciones. El modelo con cuatro mutaciones era la mejor opción. Tres mutaciones proporcionan un ajuste ligeramente peor en el rango de 15 a 20 y 65 a 75 años de edad, mientras que cinco mutaciones proporcionan un ajuste mucho peor en el intervalo de 10-25 años, pero fue indistinguible de 4 mutaciones en el rango de 50 a 75 años de edad.
Para enfatizar las diferencias, sólo las regiones antes de la edad de 25 años y después de los 50 años se muestran. Los tres modelos de manifiesto una estrecha ajuste a los datos de entre 25 y 50 años de edad. Los modelos con cuatro mutaciones y cinco mutaciones son idénticos después de la edad de 50 años
Medí la probabilidad de avanzar a la siguiente etapa en al año. Este mide únicamente la probabilidad de una mutación que avanzar el tejido precanceroso otro paso hacia el cáncer, y no es directamente comparable a las tasas de mutación medidos. mutaciones de la línea germinal humana varían en todo el genoma en órdenes de magnitud [38]; una única tasa de mutación no puede caracterizar con precisión el proceso.
Discusión
El enfoque que aquí se presenta implícitamente asume que la probabilidad de avanzar a la siguiente etapa, que podría estar asociado con una tasa de mutación, es constante . La complejidad se podría añadir al modelo mediante la modificación de esta suposición. Al menos dos mecanismos diferentes podrían modificar la tasa de mutación en un tejido canceroso pre. En primer lugar, la hipótesis mutator fenotipo sugiere que una de las primeras mutaciones en el camino a un tumor debe resultar en una mayor tasa de mutación [39]. En segundo lugar, el proceso de expansión clonal puede ampliar el grupo de células en una etapa, aumentando la probabilidad de avanzar a la siguiente etapa [40] - [42]. Dado que el supuesto más simple, una probabilidad constante de avanzar, era suficiente en este caso, no me extiendo el modelo para incluir un índice de probabilidad de cambiar.
Las mutaciones cromosómicas son más probables adiciones o supresiones, no solo alteraciones de base . Los estudios citogenéticos de seminoma y no seminoma testicular cáncer han demostrado alteraciones consistentes para varios cromosomas. En particular, la amplificación de una región del cromosoma 12p que contiene varios genes conocidos a menudo está presente [43].
Aunque se requieren cuatro mutaciones para el desarrollo de los cánceres testiculares, estas mutaciones pueden alterar más de cuatro genes y las vías bioquímicas . Además, se pueden producir otras mutaciones que no son la limitación de velocidad. Limitación de velocidad mutaciones no no alterarían los datos de incidencia específicas por edad.
Un problema potencial con este análisis es que supone ningún cambio significativo a largo plazo de la tasa de cánceres testiculares. Los datos SEER-9 muestran que la tasa de cáncer testicular ajustada por edad se ha incrementado en un 7% por año desde 1973 hasta 2008. La manera estándar para hacer frente a la variación temporal de los tipos de cáncer es primero analizar los modelos de edad, a continuación, además de la edad de deriva, entonces, finalmente, los modelos edad-período-cohorte [44] edad-período y /o franja de edad, y, [45]. Cada adición de complejidad requiere parámetros adicionales y reduce el número de grados de libertad. Desde la edad único modelo proporciona un buen ajuste a los datos, se evitó una mayor complejidad. Sin embargo, el trabajo futuro sobre la incidencia específica por edad de cáncer testicular debe explorar si estos modelos más complejos proporcionan soluciones alternativas.
complejidad adicional al modelo podría añadirse en diferentes maneras. Para tener en cuenta las mutaciones heredadas, el modelo podría constar de dos términos independientes similar a la ecuación (1). El primer término requeriría mutaciones y el segundo término requeriría mutaciones. Para dar cuenta de múltiples vías por las que podría desarrollar cáncer de testículo, el modelo podría ampliarse mediante la adición de un segundo mandato con los parámetros independientes de la primera. Ninguna de estas adiciones son necesarios, pero los datos no excluye la posibilidad de que estos procesos más complejos.
El acuerdo entre los datos de incidencia específicas por edad y la ecuación (1) implica que los cánceres de testículo tienen un solo progenitor potencial celda. Esto contrasta con la mayoría de otros tipos de tumores sólidos, que se cree que tienen muchas, muchas células progenitoras potenciales.
Los datos de incidencia específica por edad implica que los cánceres testiculares son pre-determinado antes de los 10 años y, posiblemente, al nacer ya sea a través de la predisposición genética o epigenética [46]. Estos datos son inconsistentes con la hipótesis en que la exposición a carcinógenos ambientales en los hombres maduros conducir al desarrollo de un tumor testicular.
Métodos
El modelo multi-hit describe una serie de ensayos de Bernoulli independientes. Un número aleatorio se dibuja entre cero y uno. Si el número es menor que, no se produce la mutación; si es mayor que, una mutación se produce. El proceso se repite periódicamente. Cuando se han producido mutaciones, un tumor comienza a desarrollarse. El tumor crece, a través de la expansión clonal, durante un tiempo adicional hasta que se detecta como un cáncer. El tiempo también podría estar relacionado con el crecimiento y desarrollo normal. Este proceso ocurre en una fracción de la población, que se encuentra en algún lugar entre 0 y 100%.
Bajo estos supuestos, la distribución de probabilidad para la edad en que se diagnostica el cáncer testicular se debe dar con la solución a la serie de ensayos independientes de Bernoulli, la distribución binomial negativa [47] (1) la incidencia específica por edad mide la función de riesgo, que se relaciona con la Ecuación (1) dividiendo por la proporción de la población total de la población en situación de riesgo. Los hombres que han sido diagnosticados previamente con cáncer de testículo se eliminan de la población total para producir la población en situación de riesgo. El efecto de esto es a lo sumo en y puede ser ignorado en este caso, ya que se siente abrumado por el error de muestreo predominante.
Una de las hipótesis en la derivación de la ecuación (1) es que existe una única célula progenitora en el tejido. Si existen muchas células progenitoras, como se cree que ocurre en la mayoría de los tejidos, a continuación, el cáncer se diagnostica cuando la primera de estas muchas células se convierte en un tumor. En este caso, el primer estadísticos de orden, o la distribución del mínimo, de la ecuación (1) es la ecuación apropiada para comparar con los datos de incidencia específicas por edad. Esto seguiría una distribución de Weibull [30], [48].
He probado la hipótesis de que los datos de incidencia específicas por edad sobre los tumores de células germinales testiculares se describe con precisión por la ecuación (1). He realizado un ajuste por mínimos cuadrados para determinar los parámetros de la ecuación para los ocho años en el conjunto de datos. Entonces, he calculado el valor de ji cuadrado reducida y el p-valor asociado, dado el número de grados de libertad, 53. El valor de p, que se muestra en la Tabla 1, indica la probabilidad de que la hipótesis no debe ser rechazada.
en los Estados Unidos, la Vigilancia, Epidemiología y resultados finales (SEER) del programa del Instituto Nacional del cáncer (NCI) recoge datos sobre los casos de cáncer. Se considera el estándar de oro para la calidad de los datos de los registros de cáncer. Recoge datos de 17 diferentes regiones geográficas que abarcan poco más del 26% de la población de los Estados Unidos [49]. Estos datos se combinan con los datos del censo de Estados Unidos sobre la población, en función de la edad, en los 17 estas áreas geográficas para calcular la incidencia específica por edad.
obtuve los datos de incidencia específicas por edad de tumor testicular de células germinales usando SEER * Stat (versión 6.6.2) [50]. SEER * Stat permite una para consultar fácilmente los archivos de casos SEER. Me preguntó la base de datos publicada en noviembre de 2009, la base de datos de incidencia de SEER 17 con edades simples a 85 [49]. Este fue el más reciente disponible. He seleccionado todos los tumores que fueron reportados en los hombres, que se encuentra en el testículo, y clasificado como células germinales o tumores o neoplasias trofoblásticas de gónadas, por un total de 16,291 casos. Excluí cánceres testiculares diagnosticados antes de los 13 años, porque eran probablemente debido a un mecanismo diferente, se excluyeron 88 casos. Los diagnosticados antes de la edad de cuatro años son probablemente teratoma-tumor del saco vitelino [43]. Estos representan sólo una pequeña fracción (0,5%) de todos los cánceres testiculares. (De 2000 a 2007, el vidente-17 registros registraron 88 cánceres testiculares de células germinales en pacientes menores de 13 años, 72 de estos tipos de cáncer fueron diagnosticados en los primeros 36 meses de vida.)
He comparado la ecuación (1) a los datos de incidencia específicas por edad recogidos por los registros de cáncer SEER-17 2000-2007 sobre la incidencia de los cánceres testiculares, seminomas y no seminomas. Comparé estas ecuaciones con los datos de las edades 13 a 70 años de edad y con el número de mutaciones, que van desde tres a cinco. Esta comparación se realizó mediante la minimización del valor de chi-cuadrado reducida [51] utilizando el algoritmo de gradiente reducido generalizada. Este algoritmo es adecuado para reducir al mínimo las funciones no lineales. Solía múltiples puntos de partida para asegurar que la solución que se dio fue el mínimo global y no un mínimo local.
He calculado estimaciones de error mediante la medición de los parámetros y durante ocho años (2000-2007) individuales y tomando la desviación estándar de estos ocho valores. La incertidumbre en el parámetro, que representa el número de mutaciones necesarias para desarrollar un tumor, se midió por los modelos de comparación para tres, cuatro y cinco mutaciones, como se muestra en la Tabla 2.