DNA METHYLATION ANALYSIS IN RHABDOMYOSARCOMA

Rhabdomyosarcoma (RMS) is a highly aggressive pediatric soft-tissue sarcoma. It is mainly classified into two major subtypes characterized by alveolar (ARMS) and embryonal (ERMS) histologies. ARMS are characterized by a more aggressive behavior with a higher tendency to present metastasis at diagnosis and to relapse after treatment. Approximately 80% of ARMS harbour the reciprocal chromosomal translocation t(2;13)(q35;q14) and, less commonly, the variant translocation t(1;13)(p36;q14), in which PAX3 and FOXO1, or PAX7 and FOXO1 genes, respectively, are juxtaposed. Unfortunately, no such specific genetic aberrations are known in ERMS, and myogenic factors as myogenin and MyoD1 are the only diagnostic indicators that can be used. Despite aggressive multimodal therapies, the prognosis of high-risk RMS patients has not been improved, with a 5-year overall survival rate less than 20-30%, which prompts a need for new therapeutic strategies. In the last decade many scientific studies have demonstrated that gene expression signature distinguishes PAX3-FOXO1 positive RMS from PAX3-FOXO1 negative, but the reasons of the different expression are still unknown. Aberrant DNA methylation patterning is a hallmark of cancer and could be responsible for the different gene expression of RMS tumor subtypes. We performed genome-wide methylation profile by microarray experiments followed by Reduced-Representation Bisulfite Sequencing (RRBS). Microarray analysis demonstrated a different methylation profile between PAX3-FOXO1 positive and negative RMS, besides among metastatic and non-metastatic RMS. We confirmed HOXC11 as one of the gene differentially methylated between PAX3-FOXO1 positive and negative RMS cell lines using in vitro demethylating agents and bisulfite sequencing. Unfortunately, we did not validate the result in the cohort of RMS biopsies. Moreover, we performed another analysis on microarray data comparing metastatic vs non-metastatic RMS. We found an elevated numbers of differentially methylated regions (DMRs) and many of them map to promoter regions of genes implicated in tumors development. In particular we found DMRs linked to clustered protocadherins, known as tumor suppressor genes. We confirmed a different expression pattern of PCDHA4, as well as a different methylation level of its promotorial region, comparing metastatic and non-metastatic RMS samples. Nevertheless, the methylation status and the expression level of PCDHA4 did not have significant correlation with clinical features and are not a predictor of poor prognosis in RMS. Then, we performed an RRBS sequencing, in order to validate data obtained with microarray platforms. We observed a very low concordance between the two approaches, probably caused by a low quality DNA used in microarray experiments. The RRBS sequencing had demonstrated again that PAX3-FOXO1 positive and negative RMS have a different methylation pattern. Moreover, we demonstrated that GADD45G and NELL1, already described as tumor suppressors in other cancers and often downregulated by methylation processes, had also an involvement in RMS biology. Our experiments confirmed an epigenetic regulation by DNA methylation for GADD45G and NELL1 and that their expression were correlated to RMS histology, presence of fusion status and IRS group staging. Furthermore, GADD45G and NELL1 expression levels affect the progression free survival of RMS patients suggesting their association with a poor prognosis. In conclusion, we demonstrated that GADD45G and NELL1 could be novel potential biomarkers in RMS and we evidenced that the DNA methylation pattern in RMS could be interesting for new therapeutic strategies. We hope that our efforts could contribute to a better molecular classification of RMS tumors and to the identification of new targets for improving standard therapy.

Il rabdomiosarcoma (RMS) è una sarcoma pediatrico dei tessuti molli altamente aggressivo. Viene classificato principalmente in due sottotipi, caratterizzati da istologia alveolare (RMSA) o embrionale (RMSE). Nei RMSA si osserva un comportamento più aggressivo e una maggiore tendenza a presentare metastasi alla diagnosi e alla ricaduta dopo trattamento. Circa l'80% dei RMSA presentano la traslocazione cromosomica reciproca t(2; 13) (q35; q14) e, meno comunemente, la variante t(1; 13) (p36; q14), in cui i geni PAX3 e FOXO1, o PAX7 e FOXO1, rispettivamente, sono giustapposti. Purtroppo, non si conoscono aberrazioni genetiche specifiche nei RMSE e i fattori miogenici, come miogenina e MyoD1, sono gli unici indicatori diagnostici che possono essere utilizzati. Nonostante l’applicazione di terapie aggressive multimodali, la prognosi dei pazienti affetti da RMS, della categoria alto rischio, non è migliorata, con un tasso di sopravvivenza a 5 anni inferiore al 20-30%. Questo dato indica la necessità di sviluppare nuove strategie terapeutiche. Nell’ultimo decennio molti studi scientifici hanno dimostrato che in base al profilo di espressione genica è possibile distinguere RMS PAX3-FOXO1-positivi e PAX3-FOXO1-negativi, ma le ragioni di questa diversa espressione sono ancora sconosciute. L’anomala metilazione del DNA è un indicatore di neoplasia e potrebbe essere la causa responsabile della diversa espressione genica dei due sottotipi di tumore. In questo studio, per mezzo di esperimenti di microarray, abbiamo realizzato un’analisi dello stato di metilazione del DNA su tutto il genoma, proseguendo poi con esperimenti di sequenziamento sfruttando la tecnica Reduced-Representation Bisulfite Sequencing (RRBS). L’analisi dei risultati ottenuti con gli esperimenti di microarray ha dimostrato, non solo un profilo di metilazione diverso tra i RMS PAX3-FOXO1-positivi e negativi, ma anche tra i RMS metastatici e non metastatici. Abbiamo confermato che il gene HOXC11 risulta essere differenzialmente metilato tra linee cellulari di RMS PAX3-FOXO1-positive e negative, sfruttando trattamenti con agenti demetilanti in vitro e sequenziamento del DNA dopo conversione con bisolfito; purtroppo, non abbiamo confermato il risultato nella coorte di biopsie di RMS. Inoltre, abbiamo effettuato un'ulteriore analisi sui dati di microarray confrontando i RMS metastatici con i non metastatici. Abbiamo trovato un elevato numero di regioni differenzialmente metilate (DMR) e molte di queste sono risultate coincidere con le regioni promotoriali di geni implicati nello sviluppo di tumori; in particolare, abbiamo trovato DMR connesse alla famiglia delle clustered protocaderine, note come geni soppressori di tumore. Abbiamo poi confermato un diverso profilo di espressione del gene PCDHA4, così come un diverso stato di metilazione a livello della sua regione promotoriale, confrontando campioni di RMS metastatici e non metastatici. Tuttavia, lo stato di metilazione e il livello di espressione di PCDHA4 non hanno dimostrato una correlazione significativa con le caratteristiche cliniche del RMS. Il gene PCDHA4 non risulta quindi essere un predittore prognostico nel RMS. Successivamente, abbiamo effettuato un sequenziamento RRBS, al fine di validare i dati ottenuti con le piattaforme dei microarray. Ne è risultata una bassa concordanza tra i due approcci, probabilmente a causa della bassa qualità del DNA utilizzato negli esperimenti di microarray. Il sequenziamento RRBS ha dimostrato ancora una volta che i RMS PAX3-FOXO1-positivi hanno un profilo di metilazione diverso dai RMS PAX3-FOXO1-negativi. Inoltre, abbiamo dimostrato che GADD45G e NELL1, già descritti come soppressori tumorali in altri tipi di tumore e spesso regolati in maniera negativa da processi di metilazione, sono anche coinvolti nella biologia del RMS. Con i nostri esperimenti abbiamo confermato una regolazione epigenetica, mediata dalla metilazione del DNA ,per i geni GADD45G e NELL1, e come la loro espressione sia correlata alla istologia del RMS, alla presenza dei geni di fusione e alla stadiazione in gruppi IRS. Inoltre, abbiamo dimostrato che i livelli di espressione di GADD45G e NELL1 influenzano la sopravvivenza libera da progressione di malattia nei pazienti affetti da RMS, suggerendo la loro associazione con una prognosi sfavorevole. In conclusione, il nostro lavoro ha dimostrato che GADD45G e NELL1 potrebbero essere nuovi potenziali biomarcatori nel RMS, evidenziando come il profilo di metilazione del DNA nel RMS potrebbe favorire lo sviluppo di nuove strategie terapeutiche. Ci auguriamo che i nostri sforzi possano contribuire ad una migliore classificazione molecolare dei tumori nei pazienti affetti da RMS e alla identificazione di nuovi bersagli farmacologici per una terapia più mirata.