Einfluss der Expression von Signaltransduktion-, Stammzell- und Zellzyklus-assoziierten Genen auf das Gesamtüberleben von pädiatrischen Glioblastompatienten
Influence of the Expression of Signal Transduction, Stem Cell, and Cell Cycle-Associated Genes on the Overall Survival of Pediatric Glioblastoma Patients.
by Fabian Tassilo Schill
Date of Examination:2023-08-15
Date of issue:2023-07-31
Advisor:Prof. Dr. Christof Kramm
Referee:Prof. Dr. Christof Kramm
Referee:Prof. Dr. Peter Burfeind
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Format:PDF
Abstract
English
The Glioblastoma multiforme, as a highly malignant brain tumor, is associated with a very unfavorable prognosis. The median survival time after diagnosis is reported to be nine months to two years, with a 5-year survival rate of five to eight percent. The incidence in children and adolescents is significantly lower than in adults. However, scientific research provides more insights into adult Glioblastoma. Four important signaling pathways or key concepts have been described that are associated with the tumorigenesis, progression, and therapeutic resistance of Glioblastoma: the activity of the Wnt/ß-Catenin signaling pathway, the process of epithelial to mesenchymal transition, the promotion of a stem cell-like phenotype, and the deregulation of the cell cycle. The objective of this study is to analyze to what extent the expression of tumor-relevant genes, known to be characteristic of the respective signaling pathway or key concept, influences the overall survival of pediatric Glioblastoma patients. Prognostically relevant genes or key concepts could potentially serve as targets for further research or therapeutic approaches. Genomic expression data and clinical data from 78 Glioblastoma patients aged 3 to 20 years were analyzed using statistical methods such as Kaplan-Meier survival analyses, as well as uni- and bivariate Cox regressions, based on data provided by the German Cancer Research Center in Heidelberg. The results obtained in this study only reflect trends since multiple testing would require a Bonferroni correction with p < 0.0006. Nevertheless, genes that showed a correlation between expression strength and survival with a p-value less than 0.05 are considered statistically significant, even though they did not reach the p-value of 0.0006 after Bonferroni correction. Overall, within the examined signaling pathways or key concepts, the expression of only a few genes significantly correlates with overall survival. Particularly, the regulation of the cell cycle seems to play a significant role in pediatric Glioblastoma and affects patients' overall survival. The function of the cell cycle and relevant cell cycle-associated genes is consistently relevant in the literature. The conducted analyses in this study show that all significant cell cycle-associated genes are in line with the corresponding existing findings regarding their impact on survival. In particular, the cell cycle-associated genes KLF4 and JDP2 appear to be relevant for a favorable prognosis in pediatric Glioblastoma. However, for other examined signaling pathways or key components, no consistent conclusions can be drawn regarding the influence of gene expression on the overall survival of pediatric Glioblastoma patients. In the Wnt/ß-Catenin signaling pathway, important main components such as ß-Catenin, AXIN2, and TCF do not show a correlation between gene expression and overall survival. Also, the conflicting results of this study with the existing literature concerning the relevant Wnt component LEF1 suggest that the Wnt/ß-Catenin signaling pathway may be less essential for tumor biological properties in pediatric Glioblastoma. Similarly, important inducers of epithelial to mesenchymal transition, such as SNAIL and SLUG, do not show a significant correlation between gene expression and overall survival. Moreover, the results regarding survival prognosis are often divergent (TWIST2, LEF1, CXCR4, PDGFRB) rather than consistent (ZEB1). As for the promotion of a stem cell-like phenotype, no significant correlation is found in this study for important main factors (STAT3, NANOG, OCT4) that are prognostically relevant in adult Glioblastoma. However, the prognostically unfavorable relevance of SOX2 and ID2 is confirmed in this study. A validation of the findings based on a larger study sample will be necessary in the future. Additionally, other important prognostic parameters such as the mutation status of certain genes like H3K27 and the complete tumor resection should be better considered, which was limited in the current study due to the available dataset. Nevertheless, the results found regarding the regulation of the cell cycle, particularly the favorable prognostic function of KLF4 and JDP2 on overall survival, offer a promising approach for understanding and treating pediatric Glioblastoma.
Keywords: children; glioblastoma
German
Das Glioblastom multiforme als hochmaligner hirneigener Tumor geht mit einer sehr ungünstigen Überlebensprognose einher. Die mediane Überlebenszeit nach Diagnosestellung wird mit neun Monaten bis zwei Jahren angegeben, die 5-Jahres-Überlebensrate mit fünf bis acht Prozent. Die Inzidenz im Kindes- und Jugendalter ist deutlich geringer als im Erwachsenenalter. Auch die wissenschaftliche Forschung liefert eher Erkenntnisse zum adulten Glioblastom. Hier sind vier wichtige Signalwege bzw. Schlüsselkonzepte beschrieben worden, die mit der Tumorgenese, Progression und Therapieresistenz des Glioblastom in Zusammenhang stehen, wie die Aktivität des Wnt/ß-Catenin-Signalweges, der Prozess der epithelialen zu mesenchymalen Transition, die Förderung eines stammzellähnlichen Phänotyp sowie die Deregulation des Zellzyklus. Ziel der vorliegenden Arbeit ist zu analysieren, inwieweit die Expression tumorrelevanter Gene, die als charakteristisch für den jeweiligen Signalweg bzw. für ein Schlüsselkonzept gelten, einen Einfluss auf das Gesamtüberleben pädiatrischer Glioblastom-Patienten hat. Prognostisch relevante Gene bzw. Schlüsselkonzepte könnten somit eventuell ein Ziel für weitere Forschung bzw. therapeutische Ansätze bieten. Aus den vom Deutschen Krebsforschungszentrum Heidelberg zur Verfügung gestellten Daten-sätzen wurden Genexpressionsdaten und klinische Daten von 78 Glioblastom-Patienten im Alter von 3 - 20 Jahren mittels statistischer Verfahren wie Kaplan-Maier-Überlebenszeitanalysen sowie uni- und bivariaten Cox-Regressionen ausgewertet. Die im Rahmen dieser Arbeit ermittelten Ergebnisse spiegeln lediglich Tendenzen wider, da bei multipler Testung eine Bonferroni-Korrektur mit einem p < 0,0006 gefordert werden müsste. Nichtsdestotrotz werden aber auch weiterhin die Gene, bei denen ein Zusammenhang zwischen Expressionsstärke und Überleben mit einem p < 0,05 gefunden wurde, als statistisch signifikant bezeichnet, obwohl sie das nach Bonferroni-Korrektur erzielte p < 0,0006 nicht erreicht haben. Insgesamt korreliert innerhalb der untersuchten Signalwege bzw. Schlüsselkonzepte die Expression nur weniger Gene signifikant mit dem Gesamtüberleben. Insbesondere die Regulation des Zellzyklus scheint im pädiatrischen GBM eine besondere Rolle zu spielen und das Gesamtüberleben der Patienten zu beeinflussen. Die Funktion des Zellzyklus und relevanter zellzyklus-assoziierter Gene ist auch in der Literatur durchweg relevant. Die durchgeführten Analysen der vorliegenden Arbeit zeigen, dass alle signifikanten zellzyklus-assoziierten Gene hinsichtlich der Auswirkung auf das Überleben mit den entsprechenden bisherigen Erkenntnissen übereinstimmen. Insbesondere die zellzyklus-assoziierten Gene KLF4 und JDP2 scheinen relevant für einen prognostisch günstigen Verlauf beim pädiatrischen Glioblastom zu sein. Bei den anderen untersuchten Signalwegen bzw. Schlüsselkomponenten kann hinsichtlich des Einflusses der Genexpression auf das Gesamtüberleben pädiatrischer Glioblastom-Patienten dagegen keine einheitliche Aussage getroffen werden. Beim Wnt/ß-Catenin-Signalweg weisen wichtige Hauptkomponenten wie z. B. ß-Catenin, AXIN2 und TCF keine Korrelation zwischen Genexpression und Gesamtüberleben auf. Auch die widersprüchlichen Ergebnisse dieser Arbeit mit der bisherigen Literatur bezüglich der relevanten Wnt-Komponente LEF1 lassen vermuten, dass der Wnt/ß-Catenin-Signalweg eher weniger essentiell für die tumorbiologischen Eigenschaften beim pädiatrischen Glioblastom zu sein scheint. Ebenso weisen bei der epithelialen zu mesenchymalen Transition wichtige Induktoren wie z.B. SNAIL, SLUG keine signifikante Korrelation zwischen Genexpression und Gesamtüberleben auf. Auch sind die Ergebnisse hinsichtlich der Überlebensprognose mit den Angaben in der Literatur häufiger divergierend (TWIST2, LEF1, CXCR4, PDGFRB) als übereinstimmend (ZEB1). Für wichtige Hauptfaktoren der Förderung eines stammzellähnlichen Phänotyps (STAT3, NANOG, OCT4), die im adulten Glioblastom von prognostischer Relevanz sind, wird in der vorliegenden Arbeit keine signifikante Korrelation gefunden. Wohingegen die prognostisch ungünstige Relevanz von SOX2 und ID2 auch im Rahmen dieser Arbeit bestätigt werden kann. Eine Überprüfung der gefundenen Ergebnisse auf Basis einer größeren Studienfallzahl sind sicherlich in Zukunft notwendig. Auch sollten dann weitere wichtige Prognoseparameter wie z. B. der Mutationsstatus bestimmter Gene wie H3K27 und auch die komplette Tumorresektion besser berücksichtigt werden, als es für die vorliegende Arbeit bei begrenztem Datensatz möglich war. Nichtsdestotrotz könnten die gefundenen Ergebnisse zur Regulation des Zellzyklus, insbesondere die prognostisch günstige Funktion von KLF4 und JDP2 auf das Gesamtüberleben einen vielversprechenden Ansatz hinsichtlich des Verständnisses und der Therapie des pädiatrischen Glioblastom bieten.
Schlagwörter: Glioblastom bei Kindern