Tracing the developmental history of B-cell tumors by DNA methylation

Abstract

The DNA from our cells carries the genetic information to build a human being. This information is interpreted through epigenetic marks that lead to tightly coordinated and cell type-specific gene expression programs. One of these marks is DNA methylation, which has been widely reported to regulate gene expression both in physiological and pathological conditions. Initial studies in cancer identified gene promoter methylation as an alternative to genetic alterations in the silencing of tumor suppressor genes. Nonetheless, genome-wide studies published in the last decade uncovered that the majority of DNA methylation changes in cancer are not directly related to gene regulation, and thus do not have an apparent functional impact. Some of these studies focused on the DNA methylome during B-cell development and malignant transformation to major B-cell neoplasms. These reports unveiled a highly dynamic DNA methylome during B-cell development and provided new insights into the cellular origin, pathogenic mechanisms and clinical behavior of B-cell neoplasms.

Despite these previous studies targeting specific cancers, a holistic perspective of the DNA methylome during the entire normal cell differentiation program and derived neoplasms was missing. This holistic view was neither available for B cells nor for any other human cell lineage, and therefore was the main goal of this thesis. I exploited previously and newly generated data to dissect the sources of DNA methylation variability of major B-cell tumors spanning the whole maturation spectrum in the context of the entire normal B-cell development. These included B-cell acute lymphoblastic leukemia (ALL), mantle cell lymphoma (MCL) (Study 1), chronic lymphocytic leukemia (CLL), diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) and multiple myeloma (MM). This comprehensive approach using over 2,000 samples showed that the human DNA methylome is more dynamic than previously conceived and uncovered new clinico-biological insights (Study 2). I observed that B-cell tumors display both DNA methylation imprints of normal development and de novo DNA methylation aberrations, which set the basis to build an accurate diagnostic tool for 14 B-cell tumor subtypes with different clinical management. In line with previous knowledge, I identified that most of the DNA methylation changes taking place in individual patients were located in silent chromatin. Remarkably, I could relate this phenomenon to the proliferative history of normal and neoplastic B cells, whereby each cell division seemed to accumulate transcriptionally-inert epigenetic imprints into the genome (Study 3). In general, mitotic activity simultaneously left hyper- and hypomethylation imprints, but some B-cell neoplasms preferentially gained or lost DNA methylation. Based on this data, I built the epiCMIT epigenetic mitotic clock considering both hyper- and hypomethylation imprints related to cell division, which significantly improved the performance of previously reported mitotic clocks. Noticeably, the proliferative history traced by the epiCMIT before treatment was highly predictive of future patient outcome, not only in the B-cell tumors studied but also in other human neoplasias. The accumulation of genetic alterations with positive selection increased the epiCMIT, but some specific drivers seemed to confer a particular proliferative advantage to CLL and MCL cells and distinguished patients with a marked adverse outcome (Study 4). Finally, I compared the epiCMIT mitotic clock with another type of epigenetic clock that estimates the chronological age of a person, the so-called Horvath clock. Interestingly, the epiCMIT was strongly associated with an accelerated epigenetic aging in B-cell tumors measured by the Horvath clock, suggesting a crosstalk between mitotic activity and the aging process (Study 3).

In summary, the wealth of data presented in this doctoral thesis uncovers DNA methylation as a holistic tracer of B-cell tumor developmental history and provides new clinico-biological insights for B-cell tumors and cancer in general.

L’ADN de les nostres cèl·lules porta la informació genètica necessària per crear un ésser humà. Aquesta informació és interpretada a través de marques epigenètiques que permeten l’ expressió diferencial i altament coordinada dels gens en cada tipus cel·lular. La metilació de l’ADN representa una d’aquestes marques, i ha estat amplament descrita com a reguladora gènica tan en condicions fisiòlogues com en patològiques. Les primeres investigacions en el càncer varen identificar la metilació als promotor dels gens com un mètode alternatiu a les mutacions genètiques per silenciar els gens supressors de tumors. No obstant, estudis del genoma complet durant la darrera dècada han revelat que la majoria de canvis de metilació de l’ADN no estan directament relacionats amb la regulació gènica ,i conseqüentment no tenen aparentment un impacte funcional. Alguns d’aquests estudis s’han centrat en la metilació de l’ADN durant el desenvolupament normal de les cèl·lules B i la seva transformació cap als tipus principals de tumors de cèl·lula B. Aquestes investigacions han descrit un metiloma molt dinàmic durant el desenvolupament de cèl·lules B sanes i han proporcionat nous coneixements sobre la cèl·lula d’origen, els mecanismes patogènics i el comportament clínic de les neoplàsies de cèl·lules B.

Malgrat la rellevància d’aquests estudis previs enfocats en cada tumor, faltava una visió holística de la metilació de l’ADN durant un programa sencer de desenvolupament de cèl·lules sanes y les seves neoplàsies derivades. Aquesta visió no estava disponible ni per les cèl·lules B ni per cap altre llinatge humà, i per tant era l’objectiu principal d’aquesta tesis doctoral. Emprant dades prèvies i generades expressament, vaig explorar les fonts de variabilitat en la metilació de l’ADN de les principals neoplàsies de cèl·lula B sorgides al llarg del desenvolupament complet de cèl·lules B sanes. Aquestes neoplàsies varen incloure la leucèmia linfoblàstica aguda de cèl·lules B (LLA), el limfoma de cèl·lules del mantell (LCM) (Estudi 1), la leucèmia limfocítica crònica (LLC), el limfoma difús de cèl·lules B grans (LDCB), i el mieloma múltiple (MM). Aquest enfocament integrador amb més de 2.000 mostres de pacients va desxifrar que el metiloma humà és notablement més dinàmic del que el concebíem, i va revelà nous coneixements biològics i clínics de les neoplasias de cèl·lules B (Estudi 2). Vaig identificar que els tumors de les cèl·lules B presenten empremtes de metilació derivades del desenvolupament normal i canvis adquirits de novo. Ambdós tipus de canvis de metilació de l’ADN varen permetre crear una eina diagnòstica epigenètica molt precisa per 14 subtipus de neoplàsies de cèl·lules B amb diferent abordatge clínic. En consonància amb coneixements previs, vaig identificar que la majoria dels canvis de metilació en l’ADN en el pacients tenien lloc en regions de la cromatina silenciades. Cal destacar que vaig poder relacionar aquest fenomen amb la història proliferativa de les cèl·lules B normals i tumorals, on cada divisió cel·lular semblava que deixava traces epigenètiques en el genoma sense repercussions transcripcionals (Estudi 3). En general, vaig veure que l’activitat mitòtica deixava simultàniament guanys i pèrdues de metilació en l’ADN, però algunes neoplàsies mostraven un biaix cap una direcció o l’altre. Basat en aquestes dades, vaig crear el rellotge mitòtic epigenètic epiCMIT considerant tant guanys com pèrdues de metilació en l’ADN relacionats amb la divisió cel·lular, la qual cosa representa una millora considerable respecte altres rellotges mitòtics proposats prèviament. Cal destacar que la història proliferativa recollida per l’epiCMIT abans del tractament dels pacients va ser altament predictiva del seu futur comportament clínic no només en tumors de cèl·lules B sinó en altres tipus de neoplàsies. Vaig observar que l’acumulació d’alteracions genètiques amb selecció positiva augmentaven l’epiCMIT, però algunes en particular semblaven que conferien una avantatge proliferativa significativa a les cèl·lules de LLC i LCM i distingien pacients amb un comportament clínic molt advers (Estudi 4). Finalment, vaig comparar el rellotge mitòtic epiCMIT amb un altre rellotge epigenètic que identifica de manera molt precisa l’edat cronològica de les persones, l’anomenat rellotge de Horvath. Curiosament, l’epiCMIT estava fortament associat amb una edat accelerada en les neoplàsies de cèl·lula B, suggerint una relació entre l’activitat mitòtica i l’envelliment (Estudi 3).

En conclusió, la riquesa de dades presentades en aquesta tesis doctoral revelen la metilació de l’ADN com un traçador holístic del desenvolupament tumoral en les neoplàsies de cèl·lules B, i proporcionen nous coneixements biològics i clínics pels tumors de cèl·lula B i el càncer en general.