Evolutionary karyotypic theory of cancer versus conventional cancer gene mutation theory

Abstract

Согласно общепризнанной генной теории рака, в течение последних десятилетий рак считали генным заболеванием, возникающим в результате детерминистического последовательного накопления мутаций в небольшой группе раковых генов, происходящего при линейной прогрессии опухоли. Однако в противоположность этому постулату в недавних работах по секвенированию генома и экзома первичных опухолей и их метастазов, а также отдельных участков одной и той же опухоли выявлено огромное количество стохастических генных мутаций в каждой опухоли одного типа и значительную внутриопухолевую генетическую гетерогенность с «разветвленной эволюцией роста опухоли» или «прерывистой клональной эволюцией без прослеживаемых промежуточных разветвлений», или «отсутствие доминантных клонов в опухолевой ткани». Стохастические кариотипические изменения и внутриопухолевая гетерогенность признаны ведущей силой в эволюции опухоли и детерминантой развития терапевтической резистентности и рецидива рака. Эволюция кариотипа/ хромосомной нестабильности и результирующий уровень внутриопухолевой гетерогенности существенно коррелируют с опухолеобразующим потенциалом клеток, прогрессией заболевания от преопухолевого доброкачественного к явно злокачественному и метастазированию, а также с выживаемостью пациентов, чувствительностью к химиотерапии и риском приобретения резистентности. Обсуждается важность эволюционной кариотипической теории в понимании биологии рака и механизмов приобретения стойкости к химиотерапии. Ключевые слова: эволюция опухоли, кариотип, хромосомная нестабильность, внутриопухолевая гетерогенность, раковый ген, химиорезистентность.

Згідно із загальновизнаною генною теорією раку, протягом останніх десятиліть рак вважали генним захворюванням, яке виникає в результаті детерміністичного послідовного накопичення мутацій у невеликій групі ракових генів, що відбувається за лінійної прогресії пухлини. Однак на противагу цьому постулату у недавніх роботах із секвенування геному та екзому первинних пухлин і їхніх метастазів, а також окремих ділянок однієї і тієї ж пухлини виявлено величезну кількість стохастичних генних мутацій у кожній пухлині однакового типу та значну внутрішньопухлинну генетичну гетерогенність з «розгалуженою еволюцією росту пухлини» або «переривчастою клональною еволюцією без проміжних розгалужень», або «відсутність домінантних клонів у пухлиннії тканині». Стохастичні каріотипові зміни і внутрішньопухлинну гетерогенність визнано провідною силою в еволюції пухлини і детермінантою розвитку терапевтичної резистентності і рецидиву. Еволюція каріотипу/хромосомної нестабільності і результуючий рівень внутрішньопухлинної гетерогенності суттєво корелюють з пухлиноутворювальним потенціалом клітин, прогресією пухлини від доброякісної до явно злоякісної та метастазування, а також з виживанням пацієнтів, чутливістю до хіміотерапії і ризиком виникнення резистентності. Обговорюється важливість еволюційної каріотипової теорії раку у розумінні біології раку і механізмів набуття стійкості до хіміотерапії. Ключові слова: еволюція пухлини, каріотип, хромосомна нестабільність, внутрішньопухлинна гетерогенність, раковий ген, хіміорезистентність.

For decades the conventional gene mutation cancer theory has been postulating that cancer is a genetic disease considered as a result of deterministic sequential accumulation of mutations in the handful of «driver» cancer genes occurring in a continuous linear pattern of cancer progression. However, in contrast to this postulate, recent whole genome and exome sequencing studies of primary tumor bulk and metastases or separate regions withing the same sample have revealed a large number of stochastic gene mutations for each individual with the same cancer type and significant intratumoral genetic heterogeneity with «branched evolutionary tumor growth» or «punctuated clonal evolution without observable intermediate branching» or «no dominant clones in the cancer tissue». Meanwhile, the stochastic karyotypic variation and intratumor heterogeneity are recognized to be the driving force of tumor evolution and major factors in determining relapse with acquired drug resistance. The karyotype evolution/chromosome instability and the resulting magnitude of intratumor heterogeneity significantly correlate with tumorigenic potential of cells, tumor disease progression from precancerous lesions to malignant tumors and metastases, correlate with patient survival, treatment sensitivity, and the risk of acquired resistance. Here, we discuss importance of the evolutionary karyotypic theory in understanding the cancer biology and mechanisms of tumor drug resistance. Keywords: tumor evolution, karyotype, chromosome instability, intratumor heterogeneity, cancer gene, drug resistance.