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Abstract

Ovarian cancer (OC) is a heterogeneous disease and can be delineated into five major histological subtypes. In 2018, the disease caused 184,799 deaths worldwide, where the majority of them were due to high-grade serous carcinoma (HGSC). HGSC accounts for 70% of OCs and have a common late-stage diagnosis. Patients usually show initial favorable response to chemotherapy but later on subject to disease relapse and development of acquired resistance. Understanding the disease biology is important for its early detection and effective treatment. The pathogenesis of HGSC had remained obscure until the identification of its tubal origin. Studies on precursor lesions had gained insights into very early events; however, the carcinogenesis process remained largely underexplored. Meanwhile, molecular subtyping became more important due to the success of targeted therapy using poly(ADP-ribose) polymerase (PARP) inhibitors. However, current clinical trials use different assays and a consensus approach for patient stratification is lacking. In this thesis, whole genome sequencing (WGS) was used to profile tumor-normal sample pairs from ovarian cancer patients, and a subset of them had samples collected from different anatomical sites. This multi-sample cohort (HIPO59) is suitable for addressing questions about molecular stratification and tumor pathogenesis. Unifying contemporary DNA-based classifications, more evidences were provided here and consolidated a concept of HGSC dichotomy. Our data suggested that the previously proposed genomic subgroups in HGSC (H-HRD and H-FBI) are characterized by different extent and onset timing of homologous recombination repair (HRR) defect as well as CCNE1 pathway activation. Specifically, HRR deficiency is a common feature and acquired early in H-HRD cases, whereas H-FBI tumors often have CCNE1 pathway activation as an early event. Mechanistic details supporting this observation were revealed by several layers of evidences. Among them, the subgroups also showed differences in surrogate biomarkers for PARP inhibitor response. The HGSC dichotomy reflects meaningful biology of the disease, provides a new perspective of interpreting known biomarkers, and holds the potential for better describing the patient subset that are more likely to benefit from PARP inhibitor treatment. To get insight into tumor evolution in real-world time, the evolutionary trajectory was computationally reconstructed for each tumor. This highlights an early bifurcation of carcinogenesis pathways in the HGSC dichotomy, despite a common scenario of very early TP53 mutation and an eventual chromosomal instability (CIN) phenotype seen in both subgroups. Furthermore, the reconstructed sample phylogeny trees inform about potential early and late driving events for tumors from all individuals. This can facilitate personalized oncology by providing clinical implications in cascade testing, therapeutic planning and disease monitoring. Besides, our data raised additional questions worthwhile further investigations. First of all, heredity was found as an influential factor in all histotypes. Contributing factors other than BRCA mutations underlined the link between hereditary DNA repair-deficiency syndromes and ovarian cancer predisposition. Secondly, a variable degree of intra-patient heterogeneity (IPH) was observed in pre-treatment samples of OC and the IPH can potentially stratify patients into distinct prognostic groups. As the method summarizing IPH here supports a wide range of high-throughput profiling platforms, developing a standardized assay suitable for a larger cohort can help evaluate its clinical utility. Overall, these findings corroborate the concept of HGSC dichotomy by providing mechanistic underpinnings from the aspect of tumor evolution. This integrative viewpoint allows for re-interpreting contemporary knowledge about HGSC, and will help scientists formulate questions about subtype-specific pathogenesis and vulnerabilities. Furthermore, both the dichotomy and IPH status allow for molecular stratification with potential clinical implications. Altogether, the findings in this thesis provide novel opportunities for discovering solid understanding about the biology of HGSC, as well as facilitating personalized oncology in ovarian cancer treatment.

Translation of abstract (German)

Das Ovarialkarzinom (OC) ist eine heterogene Erkrankung und lässt sich in fünf große histologische Subtypen einteilen. Im Jahr 2018 führte die Erkrankung weltweit zu 184.799 Todesfällen, von denen die meisten auf ein hochgradiges seröses Karzinom (HGSC) zurückzuführen waren. HGSC machen 70% der OCs aus und werden häufig im Spätstadium diagnostiziert. Die Patienten sprechen in der Regel zunächst gut auf Chemotherapie an, erleiden aber später einen Krankheitsrückfall und entwickeln eine Therapieresistenz. Die Biologie hinter OC zu verstehen ist wichtig für die Früherkennung und eine effektive Behandlung. Die Pathogenese des HGSC war bis zur Entdeckung ihres tubulären Ursprungs ungeklärt. Studien an Vorläuferläsionen lieferten zwar Einblicke in sehr frühe Mutationsereignisse, der Prozess der Karzinogenese blieb jedoch weitgehend unerforscht. Inzwischen hat die molekulare Subtypisierung durch den Erfolg der zielgerichteten Therapie mit Poly(ADP-Ribose)-Polymerase (PARP)-Inhibitoren an Bedeutung gewonnen. In aktuellen klinischen Studien werden jedoch unterschiedliche Assays verwendet und es fehlt ein einheitlicher Ansatz zur Patientenstratifizierung. In dieser Arbeit wurde Gesamt-Genom-Sequenzierung (WGS) verwendet, um Proben von Ovarialkarzinom-Patientinnen zu analysieren. Bei einem Teil der Patientinnen wurden Proben von verschiedenen Stellen im Tumor entnommen. Diese Multi-Proben-Kohorte (HIPO59) ist gut dafür geeignet, die molekulare Stratifizierung der Patientinnen zu verbessern und Einblicke in die Tumorpathogenese zu gewinnen. Durch die Vereinheitlichung aktueller DNA-basierter Klassifizierungen wurden hier weitere Beweise für die HGSC-Dichotomie geliefert und das Konzept somit gefestigt. Unsere Daten deuten darauf hin, dass die zuvor vorgeschlagenen genomischen Untergruppen bei HGSC (H-HRD und H-FBI) durch ein unterschiedliches Ausmaß und einen unterschiedlichen Zeitpunkt des Einsetzens eines Defekts in der homologen Rekombinationsreparatur (HRR) sowie der Aktivierung des CCNE1-Signalwegs gekennzeichnet sind. Insbesondere ist der HRR-Defekt ein häufiges Merkmal und wird in H-HRD-Fällen früh erworben, während bei H-FBI-Tumoren die CCNE1-Signalweg-Aktivierung häufig als frühes Ereignis auftritt. Mechanistische Details, die diese Beobachtung unterstützen, wurden durch mehrere Anhaltspunkte herausgearbeitet. So zeigten die Untergruppen auch Unterschiede bei den Surrogat-Biomarkern für das Ansprechen auf PARP-Inhibitoren. Die HGSC-Dichotomie ist sehr aussagekräftig für die Entstehung der Erkrankung, bietet eine neue Perspektive für die Interpretation bekannter Biomarker und gibt Einsichten in Patientgruppen mit wahrscheinlich gutem Ansprechen auf eine PARP-Inhibitor-Behandlung. Um einen Einblick in die Tumorevolution zu erhalten, wurde die Evolutionskurve für jeden Tumor rechnerisch rekonstruiert. Dies zeigt eine frühe Bifurkation der Karzinogenese in der HGSC-Dichotomie, trotz gemeinsamer früher TP53-Mutationen und späterer chromosomaler Instabilität (CIN) in beiden Untergruppen. Darüber hinaus liefert der rekonstruierte Proben-Phylogenie-Baum Informationen über potenzielle weitere frühe und späte treibende Ereignisse für alle Tumoren. Dies kann die personalisierte Onkologie unterstützen, indem es klinische Implikationen für Kaskadentests, Therapieplanung und Krankheitsüberwachung liefert. Außerdem warfen die Daten zusätzliche Fragen auf, die weitere Untersuchungen erfordern. Zunächst einmal wurde genetische Vererbung als einflussreicher Faktor in allen Histotypen gefunden. Neben BRCA-Mutationen verdeutlichten auch andere Einflussfaktoren den Zusammenhang zwischen erblichen DNA-Reparaturdefekten und einer Prädisposition für Eierstockkrebs. Zweitens wurde ein variabler Grad an Intra-Patienten-Heterogenität (IPH) in unbehandelten OC-Proben beobachtet, was möglicherweise der Stratifizierung von Patientinnen in verschiedene prognostische Gruppen dienen kann. Da die hier zusammengefasste IPH-Methode eine breite Palette von Hochdurchsatz-Analyseverfahren unterstützt, kann die Entwicklung eines standardisierten Assays für eine größere Kohorte helfen, den klinischen Nutzen von IPH zu bewerten. Insgesamt bestätigen diese Ergebnisse das Konzept der HGSC-Dichotomie, indem sie mechanistische Einblicke aus der Perspektive der Tumorevolution liefern. Diese integrative Sichtweise ermöglicht eine Neuinterpretation des gegenwärtigen Wissens über HGSC und wird Wissenschaftlern dabei helfen, Fragen zur subtypspezifischen Pathogenese und Vulnerabilität zu formulieren. Darüber hinaus ermöglichen sowohl die Dichotomie als auch der IPH-Status eine molekulare Stratifizierung mit potenziellen klinischen Implikationen. Alles in allem bieten die Ergebnisse dieser Arbeit neue Möglichkeiten, um ein solides Verständnis über die Biologie von HGSC zu erlangen sowie die personalisierte Onkologie bei der Behandlung von Eierstockkrebs zu verbessern.