Genetische Polymorphismen im Bereich der Interferon Lambda (IFNL)-Gene und deren prädiktiver Wert für ein Ansprechen auf eine Chemo- oder Radiotherapie bei onkologischen Patienten

Interferon-lambda (IFNL) germline variations and their significance for chemo- and radiotherapy responsiveness in cancer patients

by Mia Mala Hafemann
Doctoral thesis
Date of Examination:2024-12-03
Date of issue:2024-11-29
Advisor:Prof. Dr. Sabine Mihm
Referee:Prof. Dr. Sabine Mihm
Referee:Prof. Dr. Heike Bickeböller
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10883

 

 

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Abstract

English

Chemotherapy and radiotherapy are among the pillars of conventional cancer treatment. The toxic effects of chemotherapeutic agents and the ionizing effects of radiotherapy induce necrosis in neoplastic cells, leading to the release of so-called damage-associated molecular patterns (DAMPs). These endogenous molecules are released in sterile, non-infectious contexts and initiate immune stimulation via the activation of type I interferons (IFNs). Recent studies in animal models supported by clinical data have identified type I IFN activation as a crucial mechanism underlying the efficacy of certain chemotherapeutic agents. Type III IFNs (IFN-λ1, -λ2, -λ3, and -λ4) were discovered relatively recently in a genomic region on chromosome 19. A genetic variation in the IFNL gene cluster has been associated with the spontaneous and IFN-α-mediated clearance of hepatitis C virus infection. Among these genetic (germline) variations is the dinucleotide polymorphism IFNL4 rs368234815 (TT/ΔG), whose TT allele results in premature termination of protein synthesis, while only the ΔG variant encodes a functional IFN-λ4 protein. Time-to-event analyses of patients with pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) and hepatocellular carcinoma (HCC) from The Cancer Genome Atlas (TCGA) database using Kaplan-Meier methods revealed that IFNL gene polymorphisms are associated with progression-free interval (PFI) and overall survival (OS) in PDAC patients. No such association was observed in HCC patients. The current study investigated whether the entity-specific association between PFI/OS and genotype could be attributed to the higher proportion of chemotherapy- or radiotherapy-treated patients in the PDAC cohort, with a focus on carriers of the IFNL4 rs368234815-ΔG allele as a potential factor influencing better prognosis. Additional cohorts from TCGA were included, encompassing European patients with documented responses to chemotherapy (bladder urothelial carcinoma (BLCA-Chemo), breast invasive carcinoma (BRCA-Chemo), lung adenocarcinoma (LUAD-Chemo), pancreatic adenocarcinoma (PAAD-Chemo), sarcoma (SARC-Chemo), and skin cutaneous melanoma (SKCM-Chemo)) or radiotherapy (LUAD-, SARC-, and SKCM-Radio). All cohorts were initially presented descriptively. Subsequently, protected sequence data were retrieved in an authorized step to determine IFNL-genotypes using the National Center for Biotechnology Information (NCBI) Genome Workbench software. Quality assessment confirmed sufficient sequencing depth (coverage) to meet Illumina standards and a call rate adequate for genotyping efficiency. The minor allele frequencies (MAFs) of the polymorphisms exceeded the 5% cut-off threshold. All cohorts were in Hardy-Weinberg equilibrium (HWE), confirming the validity of the genotyping and suitability of the data. Linkage disequilibrium (LD) analysis identified polymorphisms that could serve as surrogates. The European cohort from the 1000 Genomes Project, comprising 503 individuals, was used as a representative, non-cancer-diagnosed control cohort. Compared to this reference cohort, there was a trend suggesting that the minor allele was less frequent in the overall SKCM cohort and more frequent in the overall SARC cohort. Further analysis is needed to evaluate whether these alleles serve as disease-associated alleles that modulate tumor risk. Inductive analyses of associations between therapeutic responses and potential non-genetic influencing factors revealed no associations, except for a relationship between tumor stage and chemotherapy response in the LUAD cohort. Across all therapy response data, neither the Cochran-Mantel-Haenszel (CMH) test for the overall cohort nor chi-squared (ꭓ²) tests or Fisher's exact tests for individual cohorts (BLCA-, BRCA-, LUAD-, SARC-, SKCM-Chemo, and LUAD-, SARC-, SKCM-Radio) revealed significant associations with genetic variants in IFNL genes. The inclusion of another rare variant (IFNL4 rs117648444 (P70S)) or stratification of therapeutic regimens by anthracyclines also provided no evidence. The entity-specific association between PFI/OS and genotype in the PDAC cohort could not be explained by a higher proportion of chemotherapy-treated patients. Furthermore, no evidence was found for a predictivity of germline variations in IFNL genes for therapy response to cytostatic agents or radiotherapy across larger cross-entity cohorts. Approaches, such as investigating the association between genetic polymorphisms in the IFNL locus and the abundance and composition of cellular tumor infiltrates, are under consideration.
Keywords: interferon-lambda4; IFNL4; IFNL4 rs368234815; type III interferons; chemotherapy; radiotherapy; bladder urothelial carcinoma; BLCA; breast invasive carcinoma; BRCA; lung adenocarcinoma; LUAD; pancreatic adenocarcinoma; PAAD; sarcoma; SARC; skin cutaneous melanoma; SKCM; the cancer genome atlas; TCGA

German

Die Chemo- und Radiotherapie zählen zu den Säulen der konventionellen Krebsbehandlung. Die toxische Wirkung der Chemotherapeutika und die ionisierende Wirkung der Radiotherapie führen zu Nekrosen neoplastischer Zellen. Dies wiederum führt zu einer Freisetzung sogenannter damage-associated molecular patterns (DAMPs). Sie werden endogen im sterilen, d.h. nicht-infektiösen Kontext freigesetzt und initiieren mit der Aktivierung von Typ-I-Interferonen (IFN) eine Immunstimulation. Die Aktivierung von Typ-I-IFNen konnte unlängst als entscheidender Mechanismus für die Wirksamkeit einiger Chemotherapeutika im Tierexperiment herausgearbeitet und mit klinischen Daten gestützt werden. Typ-III-IFNe (IFN-λ1, -λ2, -λ3, und -λ4) wurden relativ spät in einem Areal auf Chromosom 19 entdeckt. Eine genetische Variation im Bereich der IFNL-Gene assoziiert mit der spontanen und IFN-𝛼�-vermittelten Ausheilung der Hepatitis-C-Virusinfektion. Zu den genetischen (Keimbahn-)Variationen in den IFNL-Genen zählt der Dinukleotidpolymorphismus IFNL4 rs368234815 (TT/ΔG), dessen Allel TT zu einem vorzeitigen Abbruch der Proteinbiosynthese führt. Nur die genetische Variante ΔG codiert für ein funktionales IFN-λ4-Protein. Zeit-Ereignis-Analysen von Patienten mit duktalem Pankreasadenokarzinom (PDAC) und mit hepatozellulärem Karzinom (HCC) aus der Datenbank The Cancer Genome Atlas (TCGA) nach Kaplan-Meier zeigten, dass die Polymorphismen der IFNL-Gene mit der Dauer des progressionsfreien Intervalls (PFI) und mit der Gesamtüberlebensdauer (overall survival, OS) bei PDAC assoziieren. Diese Assoziation konnte für das HCC nicht gezeigt werden. Ob die entitätsspezifische Assoziation zwischen PFI/OS und Genotyp durch den höheren Anteil chemo- oder radiotherapierter Patienten im PDAC-Kollektiv mit besserer Prognose der IFNL4-rs368234815-∆G-Allelträger erklärbar sei, wurde in der vorliegenden Arbeit analysiert. Einbezogen wurden auch weitere Kohorten des US-amerikanischen Repositoriums, die europäische Patienten mit dokumentierter Therapieantwort auf eine Chemo- (das Urothelkarzinom der Blase (BLCA-Chemo), das invasive Brustkarzinom (BRCA-Chemo), das Lungenadenokarzinom (LUAD-Chemo), das Pankreasadenokarzinom (PAAD-Chemo), das Sarkom (SARC-Chemo) und das maligne Melanom (SKCM-Chemo)) oder Radiotherapie (LUAD-, SARC- und SKCM-Radio) umfassten. Alle Kollektive wurden zunächst deskriptiv dargestellt. Im Weiteren wurden dem Repositorium in einem zu autorisierenden Schritt geschützte Sequenzdaten entnommen, um die IFNL-Genotypen mithilfe des Programms National Center for Biotechnology Information (NCBI) Genome Workbench auszulesen. Die Beurteilung der angewandten Qualitätskriterien ergab eine ausreichende Sequenztiefe (coverage) für die Wahrung der Illumina Kriterien sowie eine call rate, die für die gewünschte Effizienz der Genotypisierung genügte. Die Häufigkeiten der selteneren Allele (MAFs) der Polymorphismen lagen über dem cut-off-Wert von 5%. Alle Kollektive befanden sich im Hardy-Weinberg-Equilibrium (HWE), ein Kriterium für die Validität der Genotypisierungen und eine Voraussetzung für die Verwendbarkeit der Daten. Die Bestimmung der Kopplungsungleichgewichte (LDs) diente der Identifikation von Polymorphismen, die als gegenseitige Surrogate verwendbar waren. Zudem wurde das europäische Kollektiv des 1000-Genome-Projekts mit 503 Probanden als repräsentatives, nicht tumor-diagnostiziertes Vergleichskollektiv gewählt. Im Vergleich mit diesem Referenzkollektiv zeigte sich die Tendenz, dass das seltenere Allel im Gesamt-SKCM-Kollektiv verhältnismäßig seltener bzw. im Gesamt-SARC-Kollektiv häufiger auftrat. Für die Bewertung der Allele als Effektallele, die das Risiko an einem Tumor zu erkranken modulieren, wären weitere Analysen erforderlich. Die induktiven Analysen zu Assoziationen der Therapieantworten und möglicher nicht-genetischer Einflussfaktoren ergaben bis auf die Analyse zwischen den Tumorstadien und den Antworten auf eine Chemotherapie im LUAD-Kollektiv keine Hinweise auf eine Assoziation. Für die Daten zu den Therapieantworten konnten sowohl im Gesamt-Kollektiv per Cochran-Mantel-Haenszel-Test (CMH-Test), als auch für die Einzelkohorten BLCA-, BRCA-, LUAD-, SARC-, SKCM-Chemo sowie LUAD-, SARC- und SKCM-Radio per ꭓ2-Test bzw. exaktem Fisher-Test keine Relationen mit den genetischen Varianten in den IFNL-Genen gesichert werden. Die Einbeziehung einer weiteren, selteneren Variante IFNL4 rs117648444 (P70S) oder die Stratifizierung der Therapieschemata nach Anthrazyklinen ergab ebenfalls keine Hinweise. Die entitätsspezifische Assoziation zwischen PFI/OS und Genotyp bei IFNL4-rs368234815-ΔG-Allelträgern im PDAC-Kollektiv konnte in der vorliegenden Arbeit nicht mit einem höheren Anteil chemotherapierter Patienten erklärt werden. Auch für ein größeres entitätsübergreifendes Kollektiv konnten keine Hinweise für einen prädiktiven Wert der Keimbahn-Variationen in den IFNL-Genen für eine Therapieantwort auf Zytostatika oder Bestrahlung gesichert werden. Weitere mögliche Ansätze, z.B. inwieweit genetische Polymorphismen im IFNL-Lokus mit der Abundanz und der Zusammensetzung des zellulären Tumorinfiltrats assoziieren, werden geprüft.
Schlagwörter: Interferon-lambda4; IFNL4; IFNL4 rs368234815; Typ-III-Interferon; Chemotherapie; Radiotherapie; Urothelkarzinom der Blase; BLCA; invasives Brustkarzinom; BRCA; Lungenadenokarzinom; LUAD; Pankreasadenokarzinom; PAAD; Sarkom; SARC; malignes Melanom; SKCM; The Cancer Genome Atlas; TCGA