Whole-genome Sequencing Reveals Comprehensive Genomic Profiles of Radiation Induced Sarcomas

Abstract

Background and Purpose: Radiation-induced sarcoma (RIS) is a rare secondary malignancy that is caused by treatment-related ionizing radiation after a long latency period. Despite unfavorable clinical outcomes, the genomic footprints of ionizing radiations in RIS development remain largely unknown. Hence, this study was aimed at characterizing the genomes and analyzing the genomic alterations in RIS.

Materials and Methods: The patients with secondary sarcoma associated with radiotherapy were reviewed between 2000 and 2019. Thirty sarcomas developed in the previously irradiated area were reviewed by two experienced pathologists. DNA sample was extracted from freshly frozen tumor tissues or isolated tumor through microdissection, along with normal tissue or blood derived from the same individuals. We finally enrolled 11 samples for which libraries were successfully created. Whole-genome sequencing (WGS) was performed with the average coverage of tumor 90ｘ and of normal 60ｘ. The pipelines for analyzing single nucleotide variations, short insertion/deletion, somatic copy number alterations, structural variations, and germline mutations were constructed.

Results: The mutation abundance of RIS genomes including one hypermutated genome was variable. Cancer-related genes might show different types of genomic alterations. For instance, NF1, NF2, NOTCH1, NOTCH2, PIK3CA, RB1, and TP53 showed singleton somatic mutations; MYC, CDKN2A, RB1, and NF1 showed recurrent copy number alterations; and NF2, ARID1B, and RAD51B showed recurrent structural variations (SVs). The effects of non-homologous end joining on short insertions-deletions and SVs were substantial in RIS genomes, compared with in spontaneous osteosarcoma genomes, representing the genomic hallmark of RIS genomes. In addition, frequent chromothripsis and predisposing germline variants in DNA damage-repair pathways were identified.

Conclusion: Taken together, WGS-scale characterization of RIS genomes may pave the way for advanced diagnostic and therapeutic strategies for RIS.

배경 및 목적: 방사선 유발 육종은 전리 방사선 치료 후 일정 기간이 지난 후 발생하는 희귀한 2차 악성 종양이다. 안 좋은 임상 예후에도 불구하고, 방사선 유발 육종 발생과 관련한 유전적 기전은 거의 알려지지 않았다. 이 연구는 방사선 유발 육종의 돌연변이 특성을 탐구하기 위해 방사선 유발 육종으로 진단된 환자로부터 얻은 샘플을 통해 전장 유전체 서열을 분석하였다. 방법: 2000년과 2019년 사이에 진단된 방사선 유발 육종 환자를 검토하였다. 이전에 방사선 조사를 받은 부위에서 발생한 30개의 육종을 경험이 풍부한 두 명의 병리학자가 검토하였다. 동일한 개체에서 추출한 정상과 종양 조직에서 DNA를 얻었다. 성공적으로 라이브러리 생성이 완료된 11개의 샘플을 최종적으로 포함시켰으며, 종양과 정상조직에 각각 90ｘ, 60ｘ 깊이로 염기 서열 분석을 시행하였다. 단일 염기 서열 변이, 짧은 삽입/결실, 복제 수 변화, 구조 변이 및 생식 돌연변이 등을 분석하기 위한 파이프라인을 구축하였다. 결과: 방사선 유발 육종 유전체 중 하나는 과돌연변이를 보였으며, 다양한 정도를 보였다. 산화성 염기 변화와 A·T G·C 전이를 보이는 돌연변이 특성은 방사선 유발 육종에서 흔히 나타났다. 암 관련 유전자 중 NF1, NF2, NOTCH1, NOTCH2, PIK3CA, RB1, TP53에서는 단일 체세포 돌연변이가, MYC, CDKN2A, RB1, NF1에서는 반복 복제 수 변화가 보였으며, NF2, ARID1B, RAD51B에서는 반복 구조 변이가 관찰되는 등 방사선 유발 육종의 유전체 특징이 관찰되었다. 자발적 골육종과 비교하여, 비상동성말단결합의 영향은 방사선유발육종 유전체의 특징인 짧은 삽입-결실 및 구조적 변이에서 상당히 보여진다. 또한, 빈번한 유전체 산산조각 현상 (chromothripsis) 및 유전자 손상 복구 경로에서 생식 세포 돌연변이들이 관찰되었다. 결론: 방사선 유발 육종 유전체에서 전장 유전체 분석을 통한 특성을 종합하여 방사선 유발 육종에 대한 발전된 진단 및 치료 전략을 위한 방법을 모색할 수 있을 것이다.