German Title: Somatische Mutationen und Gewebeerneuerung in Glioblastomen und in der Hämatopoese

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Abstract

Somatic mutations accumulate in tissues primarily through cell divisions. This observation opens the opportunity to use somatic mutations as clonal markers for inferring the past dynamics of cell turnover during tissue growth and homeostasis. In this thesis, I develop mathematical approaches to the inference problems that are stimulated by deep genome sequencing data of malignant growth and physiological tissue turnover. In the first part of this thesis I reconstruct the evolutionary history of adult glioblastoma, a highly aggressive brain cancer, prior to and after standard therapy. To this end, I develop a likelihood-based multinomial model that jointly infers genetic subclones and their phylogenetic relationships from whole genome sequencing data. Applied to 21 sample pairs from primary and recurrent glioblastomas, the model infers a common path of early tumorigenesis characterized by three pervasive copy number changes on chromosome 7 (gain), chromosome 9p (loss) and chromosome 10 (loss). TERT promoter mutations are subclonal in one third of the tumor pairs and are thus placed at a later stage of tumorigenesis. Our data indicate that recurrent tumors typically re-grow from multiple subclones of the primary tumor with no evidence for a 'resistance genotype' induced by therapy. Combining the results from phylogenetic inference with population dynamics models of tumor growth, I estimate that glioblastomas originate several years prior to initial diagnosis but reach detectable sizes only after TERT promoter mutations stabilized cellular survival. This project provides new insights into the evolutionary history of glioblastoma that may ultimately aid early diagnosis. In the second part I analyze the mutation frequency distribution in normal tissues. To this end, I extend existing theory on mutation accumulation in exponentially growing tissues to a two-stage situation of initial embryonic expansion and subsequent homeostasis during adulthood. Based on stochastic simulations I show that the theoretical framework recovers the average mutation frequency spectrum in stem cell populations. Whole genome sequencing data from murine granulocytes and human leukocytes from subjects of different ages without diagnosed leukemia confirm the model prediction in the majority of cases but reveal an unexpectedly high mutational burden in a smaller subgroup. These cases were associated with one or several leukemic driver mutations, suggesting that perturbed hematopoiesis or pre-leukemic expansions caused the deviation of the mutation frequency spectrum from neutrality. The comprehensive analysis of the mutation frequency spectra in normal and perturbed hematopoiesis may aid the understanding of tumor initiation in vivo.

Translation of abstract (German)

Mutationen entstehen in erster Linie während der Zellteilung, weshalb in somatischen Geweben eine genetische Vielfalt besteht. Das Ausmaß dieser Heterogenität wird von der zellulären Dynamik während Wachstum und Homöostase bestimmt, was sich im Mutationsprofil einer Gewebeprobe widerspiegelt. In der vorliegenden Arbeit werden mathematische Methoden entwickelt, die eine Abschätzung des Wachstumsverhaltens maligner Tumore und physiologischer Gewebe anhand von Ganzgenomsequenzierdaten erlauben. Im ersten Teil der Arbeit wird die klonale Evolution im primären Glioblastom, einem hochaggressiven Hirntumor, untersucht. Dazu wird zunächst ein Multinomialmodell entwickelt, das anhand von tiefen Ganzgenomsequenzierdaten die phylogenetische Entwicklung eines Gewebes nachvollzieht. Mithilfe dieses Modells wird anschließend die Entstehungsgeschichte adulter Glioblastome aus 21 gepaarten Primär- und Rezidivtumorproben rekonstruiert. Trotz ausgeprägter Heterogenität im Mutationsprofil individueller Tumore werden in allen Tumoren, bis auf einen, frühe Kopienzahlveränderungen auf Chromosom 7 (Gewinn), Chromosom 9p (Verlust) oder Chromosom 10 (Verlust) nachgewiesen. Dementgegen befinden sich Mutationen in der Promoterregion des TERT-Gens, das für eine Telomerase-Untereinheit kodiert, häufig auf subklonaler Ebene, was auf einen späteren Entstehungszeitpunkt in der Geschichte des Tumors hindeutet. Unsere Daten legen nahe, dass Tumorrezidive typischerweise aus mehreren Unterpopulationen des Primärtumors auswachsen und kein charakteristisches Mutationsprofil aufweisen, sodass keine Evidenz für ein selektives Auswachsen resistenter Unterpopulationen nach Standardtherapie besteht. Eine populationsdynamische Modellierung des Tumorwachstums erlaubt die Abschätzung des Tumoralters auf mehrere Jahre und erklärt die lange Entwicklungszeit mit einer hohen Zelltodrate, die erst durch Mutationen im TERT-Promoter reduziert wird. Die hier gewonnenen Einblicke in die Entwicklungsgeschichte von Glioblastomen können zur Entwicklung neuer Methoden zur Früherkennung eingesetzt werden. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wird die Anhäufung von Mutationen in normalen Geweben betrachtet. Dazu wird zunächst die bereits bestehende Theorie zur Mutationslast in wachsenden Geweben auf einen zweistufigen Prozess, der sich aus einer embryonalen Wachstumsphase und anschließender Homöostase zusammensetzt, erweitert. Mittels stochastischer Simulationen wird die Aussagekraft des Modells für selbsterneuernde Zellpopulationen, wie besipielsweise Stammzellen, bestätigt. Das aufgrund der Modellvorhersage erwartete Mutationsprofil sich neutral entwickelnder Gewebe wird anschließend anhand von Ganzgenomsequenzierdaten muriner Granulozyten und humaner Leukozyten geprüft und für die Mehrheit der Proben bestätigt. Allerdings wird die unter neutraler Dynamik erwartete Mutationslast in einigen Blutproben deutlich übertroffen. Da diese Fälle zusätzlich eine oder mehrere mit Leukämien assoziierte Mutationen aufweisen, liegt hier die Vermutung einer hämatopoietischen Perturbation oder einer prä-leukämischen Expansion nahe. Die vorgestellte Analyse der Mutationslast unter normaler und gestörter Blutbildung kann zum besseren Verständis der frühen Tumorentstehung beitragen.