Epigene'cs  in  cancer  Def:  Waddington  refers  as  the  causal  genotypic  mechanisms  that  produce  phenotypic  effects  in  the  next  genera5on  a6er  mitosis  or  meiosis  (Haig,  2004).  Currently,  epigene5cs  is  viewed  as  all  the  mechanisms  that  heritably  influence  gene  expression  without  any  altera5on  in  the  DNA  sequence,they  can  be  modified  by  environmental  s5muli.  Cancer  is  a  consequence  of  unchecked  prolifera5on  and  aberrant  cell  death  ,  caused  by  inac5va5on  of  TSG  and  ac5va5on  of  oncogene;  they  can  be  achieved  via  gene5cally  or  epigene5cally.  Hallmarks  of  cancer      ELSISTE     evading  apoptosis     limitless  replica5ve  poten5al     self  sufficiency  in  growth  signal     insensi5vity  to  an5growth  signal     sustained  angiogenesis     5ssue  invasion  and  metastasis     emerging  hallmarks-­‐  deregula5ng  cellular  energe5cs,avoiding  immune  destruc5on     enabling  character-­‐  genome  instability  and  muta5on,tumor  promo5ng  inflamma5on  Aberra'on  of  epigene5c  control  seen  in  cancer  -­‐     tumor  suppressor  DNA  hypermethyla5on     genome  wide  DNA  hypomethyla5on     dysregula5on  of  other  epigene5c  marks/  modifica5on  either  over-­‐expression  or  muta5on     nuclear  architecture  —  disorganisa5on  Nuclear  size,Nuclear  shape,Ploidy    Clinical  implica'on  of  aberrant  epigene5c  control  in  cancer     -­‐  Understanding  the  mechanism  of  epigene5c  in  cancer  gave  therapeu5c  opportunity,  inven5on  and  discovery  of  key  pathway  inhibitors  responsible  for  tumorigenesis.  Prognosis   -­‐Specific  altera5ons  associated  with  outcome         e.g.  miR-­‐34b/c  hypermethyla5on  associated  with  metastasis  Diagnos'c   -­‐  epigene5c  altera5on  as  biomarkers  Epigene5cs  biomarker  can  be  used  as  single  or  global  profile.  Dis5nguish  cancer  from  normal  cells  in  the  same  blood  sample  using  cells  or  tumour  DNA(cell-­‐free  DNA)  e.g.  tumour  vs  benign  skin,  tumour  vs  normal  prostate    Iden5fy  a  specific  feature  of  the  cancer  detec5on,  e.g  GSTP  hypermethyla5on  (prostate  cancer)  Therapeu'c   Inform  treatment  ,  preclinical  candidate  &  Therapeu5c  predic5on       e.g.  MGMT  hypermethyla5on  (glioma)  suggests  pa5ents  won’t  respond  to  chemotherapeu5c  agent  temozolomide,  as  MGMT  is  required  to  process  temozolomide  (alkylated  agent)  into  ac5ve  form     Drugs   -­‐  DNA  methyltransferase  inhibitor       -­‐  HDACi  Epigene'c  modifica'on  INCLUDE    DNA  methyla'on  Type     -­‐5’methylcytosine,  5’hydroxymethylcytosine  on  CpG  dinucleo5de     symmetrical,it  may  be  maintained  through  cell  division.  

Enzyme  maintained  by  DNA  methyltransferase  1    Effect   Role  of  DNA  methyla'on  is  context  dependent;  it  usually  cause  gene  silencing,  on  rare  occasion  it  causes  ac5va5on  Dele5on  of  Dnmt1  can  enhance  or  suppress  tumorigenesis  Different  tumours  have  different  dependencies:  1.  Driven  by  tumour  suppressor  hypermethyla5on,  then  deple5on  of  DNA  methyla5on  appears  to  suppress  tumorigenesis  2.  Driven  by  chromosomal  instability,  then  deple5on  of  DNA  methyla5on  appears  to  enhance  tumorigenesis  Effect  of  DNA  methyla5on  deple5on  can  be  stage  specific  i.e.  early  vs  late  in  tumorigenesis  Tumor  suppressor  gene  hypermethyla'on  DNA  methyla'on    silence  TSG  in  cancer,and  hypermethylated  gene  varies  by  tumor  type.  CpG  island  hypermethyla5on  –  CIMP  (methylator  phenotype)  •  Associated  with  clinically  dis5nct  tumours  

Epigenetic abnormalities, diagnosis and prognosis

• They  are  frequently  found  in  heritable  cancer.  E.g  -­‐   RB  gene  in  re5noblastoma     BRCA  in  breast  cancer     MGMT  in  glioma  and  colorectal  tumors     GATA4,5  in  gastric  cancer  and  oesophageal  cancer  Epimuta5on  more  frequent  than  gene5c  changes  (eg.  glioma  and  colon  cancer)in  some  cases,It  is  an  early  event  in  tumorigenesis  (colon,  gastric  and  liver  cancer)  Diagnosis:   Iden5fica5on  of  tumour  type  e.g.  CIMP  Prognosis:   Hypermethyla5on  increases  with  tumorigenicity.  CIMP  favourable  prognosis       High  methyla5on  poor  prognosis  in  MDS,  lung  cancer  Genome  wide  hypomethyla'on  Site   -­‐Occur  at  repeat,CpG  promoters,introns,gene  desert  (RCID)  CpG  island  shores  of  tumour  suppressor  genes   •    ICRs–loss  of  imprin5ng  Mechanisms  A.  Contribute  tumorigenesis  by  increased  genomic  instability  by  chromosome  rearrangement  and  mobilisa5on  of  retrotransposons  E.g.   Muta5on  in  DNMT3b    cause  chromosomal  instability  B.  Ac5va5ng  restricted  no  of  t/s  specific  genes,imprinted  genes  and  miRNA  E.g.   KRas  ac5va5on  in  gastric  cancer     IGF2  -­‐loss  of  methyla5on  in  Wilm’s  tumor  PosPransla'onal  histone  modifica'on  Type   histone  methyla5on  by  lysine  and  arginine  methyltransferase  enzymes     histone  acetyla5on  by  HAT  and  HDAC     ubiqui5na5on  by  E1  ,E2  and  E3     phosphoryla5on  by  kinase  and  phosphorylase  Site   The  modifica5on  usually  take  place  on  the  N-­‐terminal  regions  and  surface  areas  of  core  histone.  H3K7  me2/3     Ac5ve  gene           H3K4me2/3     Inac5ve  gene    4  9  27  Histone  acetyla5on             H3K9  me2/3                   H3K27  me2/3                   DNA  methyla5on  !Effect   Modified  histone  tail  act  as  a  docking  sites  for  other  chroma5n  protein.  Beside  the  enzymes  that  involved  in  histone  modifica5ons  ,  nucleosome  and  chromosome  remodelling  protein  par5cipate  in  epigene5cs  control.  They  affect  by  influencing  nucleosome  stability,  s5mulate  or  inhibit  TF  binding  or  recruitment  for  gene  expression.  In  cancer  Tumor  suppressor  gene  show  loss  of  ac5ve  marks  H3K4  acetyla5on,H3K7  me3,  gain  of  inac5ve  marks  H3K4  me3,  H3K27  me3  .  Histone  modifica5on  collaborate  with  DNA  methyla5on  changes.  cause  long  range  silencing  in  cancer  cells.  Muta'ons  in  histones  and  histone  variants  Muta5ons  in  H3.1  (canonical  H3)  and  histone  variant  H3.3  very  recently  iden5fied  in  childhood  high  grade  glioma  (not  adult,  not  low  grade)  DNMT  inhibitor  -­‐  irreversibly  bind  DNMTs,  a6er  they  incorporate  into  DNA.     an5neoplas5c  effect  on  low  dose,  toxicity  on  high  dose  HDAC  inhibitor  -­‐  effec5ve  against  lymphoid  malignancy,  but  non  selec5ve  targe5ng.  Targe5ng    on  Protein-­‐Proteins  interac5on  domains  :Non-­‐enzyma5c  epigene5c  regulators  (chroma5n  readers)  Noncodiing  RNA    long  noncoding  RNA     -­‐  most  common  transcript  in  cell,  >200nt,  act  in  cis  /trans  manner  miRNA       -­‐  22nt  RNA  bind  with  3’  UTR  of  mRNA,  form  RISC  forma5on,  inhibit  transla5on  siRNA           -­‐  20-­‐24  nt  long  and  via  RISC/RITS  forma5on  cause  gene  silencing  piRNA     expression  is  deregulated  in  cancer  miRNA  dysregula'on       Frequently  mis-­‐expressed  in  cancer,o6en  silenced  but  s/t  ac5vated.     Role  in  cancer  depend  on  targets      e.g         mi15,16  target  pro  survival  protein  BCL-­‐2  are  silenced  in  CLL.       Let  7  target  RAS,  silenced  in  lung  Ca       miR21  target  PTEN,  up-­‐regulated  in  glioblastoma  Enzymes  involved  in  miRNA  and  siRNA  processing  pathway  such  as  DROSHA  and  DICER  are  dysregulated  in  some  cancer.  LncRNA  in  cancer  HOTAIR  act  in  trans  manner,  bind  with  PRC2  &  LSD2  (demethylase)  over  expressed  in  breast  cancer.  Prognos5cs     :HOTAIR  also  poor  prognos5c  indicator  in  esophageal  cancer,  also  upregulated  in  colon  and  liver  cancer.  Diagnos5cs     :PCA3  in  prostate  cancer,  urine  test  

Therapeu5cs     :  long  noncoding  RNAs  can  be  knocked  down  in  vivo  for  therapy  !      !!!!!!!!!!!!!Def:  Aberra'on  of  epigene5c  control    Chroma'n  state  Epigene'c  modifica'on  -­‐   DNA  methyla'on           PosPransla'onal  histone  modifica'on           Noncodiing  RNA  Cancer      Tumor  suppressor  gene  hypermethyla'on   -­‐site,e.g.  Genome  wide  hypomethyla'on   -­‐site,mechanisms  Histone  modifica'on  error  miRNA  dysregula'on  LncRNA  in  cancer  

Myelodysplastic syndrome progressed to AML

Cutaneous T cell lymphoma