kanker wordt beschouwd als het product van een geleidelijk proces waarbij normale lichaamscellen progressief evolueren van goedaardig naar kwaadaardig. die hypothese verklaart waarom kanker zich vaak bij ouderen ontwikkelt. recente sequencingtechnieken hebben echter een nieuw mutatiepatroon ontdekt dat een antwoord kan bieden op de vraag waarom kanker ook op jonge leeftijd kan toeslaan.

Als de bliksem inslaat

Peter Vandenberghe

Horen dat je kanker hebt is een overrompelende gebeurtenis. Op slag is je leven verdeeld in een leven voor en een heel ander leven na. Het leven na wordt beheerst door ziekte, door onzekerheid over lijden dat kan komen, het gevecht om te overwinnen en te overleven, en de angst om te verliezen of te hervallen. De zorgen van het leven voor lijken plots van een verre, bijna ondraaglijke lichtheid.

Maar de manier waarop kanker ons lichaam binnenkomt is veel sluipender dan zijn bruuske intrede in onze leefwereld. De overgang van ‘goedaardig’ naar ‘kwaadaardig’ gebeurt niet van het ene moment op het andere, maar is een geleidelijk proces. Hierbij maken normale lichaamscellen een evolutie doorheen een ‘premaligne’ stadium waarin ze progressief meer en meer kwaadaardige kenmerken vertonen. Na een vaak jarenlang verloop kan uiteindelijk een ‘kwaadaardig’ (of maligne) stadium worden bereikt. Dan nog kan de verdere evolutie jaren ongemerkt blijven. De diagnose van kanker wordt immers pas gesteld als het aantal maligne cellen voldoende groot is geworden om klinisch te worden opgemerkt. Het gaat dan om alarmsymptomen zoals een zichtbare of voelbare zwelling (‘tumor’), abnormaal bloedverlies of abnormale vermagering, een verdachte observatie bij een screeningsonderzoek, of een toevallige vondst bij een onderzoek dat om een andere reden was aangevraagd.

Als de diagnose van kanker eenmaal is vastgesteld, wordt het verdere verloop van de ziekte bepaald door de spontane evolutie van de ziekte en de mate waarin de dokters deze weten om te buigen. Een belangrijk mantra van de moderne kankergeneeskunde is dat de uitingen van kanker bij een patiënt terug te brengen zijn tot de som van wat de individuele kankercellen teweegbrengen. De behandeling van kanker moet zich dan ook richten tegen dit collectief van individuele cellen. Ze kan maar succesvol zijn als ze erin slaagt de individuele cellen in bedwang te houden, uit te dunnen, of liefst volledig uit te roeien. Zoniet zal ze falen. Inzicht in het biologische gedrag van de individuele kankercel is dan ook van wezenlijk belang voor inzicht in kanker als ziekte en als therapeutische uitdaging.

Wat zijn de biologische eigenschappen die het verschil maken tussen een goede en een kwaadaardige cel? In een baanbrekend overzichtsartikel ‘The Hallmarks of Cancer’ (2000) hebben twee Amerikaanse kankerbiologen, Douglas Hanahan (van het Swiss Institute for Experimental Cancer Research, Epalinges in Zwitserland) en Robert Weinberg (van het Massachusetts Institute of Technology, Boston, Verenigde Staten) zes hoofdkenmerken van kwaadaardige cellen vooropgesteld, die samen bepalend zijn voor kwaadaardige groei. Elk van die zes eigenschappen betekent een belangrijke stap in de richting van maligne transformatie, maar is op zich geen voldoende voorwaarde. Wanneer in een cel enkele van de hogervermelde eigenschappen aanwezig zijn, is er dus nog geen sprake van kanker. Het werkstuk van Hanahan en Weinberg was geen abstracte oefening, maar een ambitieuze poging om aan het begin van deze eeuw een synthese te maken van vele ontdekkingen uit het brede, gefragmenteerde kankeronderzoek, en een inventaris op te stellen van de universele kenmerken van kankercellen, ongeacht het specifieke kankertype. Met hun werk wilden de auteurs bovendien ook een denkkader bieden voor een rationele en doelgerichte therapeutische benadering van kanker. Net zoals bacteriële infecties gericht met antibiotica kunnen worden aangepakt, kunnen de afwijkende cellulaire eigenschappen van kanker het doelwit worden van gerichte kankertherapie in de éénentwintigste eeuw. In de jaren nadien heeft onderzoek van het erfelijke materiaal van kankercellen inderdaad de kern van de hypothese van Hanahan en Weinberg bevestigd, want in dit erfelijke materiaal werden telkens meerdere kritische mutaties teruggevonden. Maar in contrast met hun veronderstelling dat kanker geleidelijk en stapsgewijs ontwikkelt, zijn recent ook andere ontwikkelingsmodellen voorgesteld waarin meerdere transformerende gebeurtenissen in een erg korte tijdspanne kunnen plaatsvinden.

Zoals bacteriële infecties gericht met antibiotica worden aangepakt, kunnen de afwijkende cellulaire eigenschappen van kanker het doelwit worden van gerichte kankertherapie

De zes belangrijkste eigenschappen van kanker, zoals voorgesteld door Hanahan en Weinberg, zijn de volgende. In tegenstelling tot gewone cellen kunnen kankercellen autonoom groeien in afwezigheid van groeistimulerende signalen (eigenschap 1). Daarnaast negeren ze ook groeiremmende signalen (eigenschap 2) en sterven ze minder gemakkelijk aan geprogrammeerde celdood dan normale lichaamscellen (eigenschap 3). Dit betekent dat ze in ongunstige omstandigheden of een ongunstige omgeving beter kunnen overleven en bijvoorbeeld weerstand kunnen bieden aan bestralingsbehandeling of chemotherapie. Kankercellen zijn in staat generatie na generatie onbeperkt te blijven delen (eigenschap 4). Ze zorgen ook voor aanmaak van nieuwe bloedvaten (‘neoangiogenese’) (eigenschap 5) zodat de toevoer van voedingsbestanddelen en zuurstof verzekerd wordt en hun groei niet tot stilstand komt. Ten slotte zijn ze ook in staat het weefsel te verlaten waar ze deel van uitmaken, om te migreren naar omliggende weefsels (invasie), en uit te zaaien naar organen op afstand (metastasen) (eigenschap 6).

De hypothese van Hanahan en Weinberg steunde in belangrijke mate op inzichten in een specifieke vorm van erfelijke dikdarmkanker (familiale adenomateuze poliposis coli). Wie erfelijk belast is voor deze dikdarmkanker (‘drager’), wordt geboren met een dikdarm die er macroscopisch en microscopisch normaal uitziet. Bij deze dragers doorloopt het normale darmslijmvlies een evolutie met een typische, bijna stereotiepe opeenvolging van morfologische afwijkingen. Wanneer dragers de leeftijd van twintig tot dertig jaar bereiken, is het slijmvlies van hun dikdarm al bezaaid met honderden tot duizenden goedaardige poliepen. De enige manier om te vermijden dat meerdere, en uiteindelijk alle, poliepen verder ontwikkelen tot evenveel kwaadaardige kankers is de dikdarm tijdig weg te nemen. Deze evolutie door diverse premaligne tussenstadia naar het kwaadaardige stadium loopt bovendien synchroon met het ontstaan van verworven mutaties in genen zoals KRAS of TP53, die op hun beurt in een typische opeenvolging optreden. Het lag dan in zekere zin voor de hand om een gelijkaardig stapsgewijs ontstaansmechanisme te veronderstellen voor andere types van kanker, waarbij premaligne letsels lang vooraf een verhoogde kans op kanker aankondigen, of zelfs voor alle kankertypes. Alleen kon dat (nog) niet worden bewezen.

De zienswijze van Hanahan en Weinberg impliceerde dat kanker het product is van een lange evolutie waarbij cellen de zes hoofdeigenschappen progressief, stapsgewijs verwerven. Het ontstaan van kanker neemt dus veel tijd in beslag. Hun hypothese bood een sluitende verklaring waarom kanker in het algemeen een probleem is bij de oudere bevolkingsgroepen. Ten tweede past ook de rol van kankerverwekkende stoffen (carcinogenen) goed bij deze hypothese, namelijk de vaststelling dat carcinogenen de kans op kanker verhogen en de leeftijd vervroegen waarop kanker zich ontwikkelt. Van meerdere carcinogenen was immers aangetoond dat ze mutaties veroorzaken in het DNA, en op die manier kunnen ze dus het meerstappenproces naar kanker versnellen. Het klassieke voorbeeld is hier het verband tussen de kankerverwekkende bestanddelen in sigarettenrook en longkanker. Ten derde berusten meerdere familiale vormen van kanker op overgeërfde gebreken van DNA-herstelmechanismen. Zo leiden mutaties van de borstkankergenen BRCA1 en BRCA2 tot fouten bij het herstel van breuken in het DNA, en vandaar een sterk verhoogde kans op borstkanker op jonge leeftijd.

Hoe verwerft één cel dan de gecombineerde hoofdeigenschappen van kanker ? Het erfelijke materiaal of genoom van een cel telt ongeveer 3*10⁹ basenparen en bevat circa 20 000 tot 25 000 genen, dit wil zeggen opeenvolgingen van basenparen die in eiwitten kunnen worden omgezet. Meer dan 98 % van de basenparen is evenwel niet-coderend en wordt niet in eiwitten vertaald. Dankzij alerte DNA-herstelmechanismen en een zeer lage foutenlast van de DNA-verdubbeling bij celdeling treden mutaties in het uitgestrekte humane genoom slechts zelden op. DNA-herstelmechanismen sporen immers voortdurend wijzigingen van het DNA op, en zorgen ervoor dat die foutloos worden hersteld naar de oorspronkelijke situatie. Wanneer cellen delen, wordt het genoom van de moedercel gekopieerd, en ook dan wordt de gekopieerde sequentie strikt geverifieerd op haar correctheid. Op die manier erven beide dochtercellen een genoom dat in principe identiek is aan dat van de moedercel. Bovendien treden mutaties willekeurig op in niet-coderend of in coderend DNA. Het verwerven van combinaties van mutaties in specifieke groepen van genen, die samen leiden tot de hoofdkenmerken van kanker, lijkt daarom op het eerste gezicht allerminst voor de hand liggend.

‘The Hallmarks of Cancer’ werd gepubliceerd in 2000. Toen was het technisch nog niet mogelijk de voorgestelde hypothese op grote schaal te testen. In de jaren 1990 was het Human Genome Project opgestart als een inspanning van onderzoekslaboratoria over de hele wereld om het humane genoom in kaart te brengen. Dit project had ongeveer tien jaar geduurd en miljarden dollars gekost toen in 2000 de eerste ruwe versie van de code van de homo sapiens klaar was. Pas in 2003 volgde de afgewerkte versie. In de daaropvolgende jaren zagen nieuwe sequencingtechnieken het licht, zodat een genoom nu veel sneller en goedkoper kan worden geanalyseerd. Hierdoor kwam niet alleen de analyse van meerdere individuele genomen binnen technisch handbereik, maar werd het ook mogelijk het genoom van een kankercel te analyseren en te vergelijken met het genoom van gezonde lichaamscellen van de gastheer. Met deze technologie werd in 2008 voor het eerst het genoom van een acute myeloïde leukemie (een kanker van het bloed) beschreven, en vergeleken met het erfelijk materiaal van gezonde cellen van de getroffen patiënt. Sindsdien zijn die gegevens aangevuld met meerdere genomen van andere bloedkankers en kwaadaardige aandoeningen.

In het genoom van kwaadaardige cellen zijn grote aantallen mutaties aanwezig die afwezig zijn in het erfelijk materiaal van normale gezonde lichaamscellen van dezelfde persoon

Daarbij werd meermaals vastgesteld dat in het genoom van kwaadaardige cellen grote aantallen mutaties aanwezig zijn – duizend tot zelfs honderdduizend – die afwezig zijn in het erfelijk materiaal van normale gezonde lichaamscellen van dezelfde persoon. De mutaties in kwaadaardige cellen zijn dus niet overgeërfd, maar wel ontstaan (‘verworven’) tijdens het leven. De overgrote meerderheid van deze verworven mutaties heeft geen gevolgen voor de getroffen cel of haar nakomelingen, omdat ze binnen het niet-coderende DNA vallen, en dus niet in eiwitten worden vertaald. Bovendien gebruikt elke cel slechts een fractie van de informatie van het coderende DNA, alleen die stukjes die ze nodig heeft om haar algemene en gespecialiseerde functies uit te oefenen. Mutaties in niet-gebruikt coderend DNA beïnvloeden het cellulaire gedrag en de cellulaire functies evenmin. Maar mutaties in genen die wél worden afgelezen, worden vertaald in gemuteerde eiwitten en hebben wel potentieel vérstrekkende gevolgen. Als de gemuteerde eiwitten in de getroffen cel zorgen voor sterkere groei- en/of overlevingskenmerken, zullen deze cel en haar nakomelingen sneller en efficiënter vermenigvuldigen dan zustercellen met ongewijzigde (‘wild type’) kenmerken voor groei en overleving. Hiermee overtreden gemuteerde cellen de normale cellulaire gedragscode in meercellige organismen, die erin bestaat om op niet-individualistische wijze de belangen van het organisme te dienen. Mutaties die een competitief biologisch gedrag van cellen met zich mee brengen, worden ‘driver mutations’ genoemd: zij bepalen en wijzigen het gedrag van de getroffen cel, net zoals een chauffeur verantwoordelijk is voor het rijgedrag van zijn wagen. Mutaties die het cellulaire gedrag niet beïnvloeden, zoals mutaties in niet-coderend of in niet-afgelezen DNA, worden in dezelfde beeldspraak passagiersmutaties genoemd (‘passenger mutations’). Zij worden bij elke celdeling trouw gekopieerd en doorgegeven aan de dochtercellen, en reizen mee met het DNA van de sneller groeiende cel, als ‘stille’ merktekens van opgelopen schade aan het erfelijk materiaal.

Het humaan genoom is uitgestrekt en mutaties treden willekeurig op en met een lage frequentie. Maar het totaal aantal lichaamscellen bij de mens is ook erg groot, van de ordegrootte 1013. Hierdoor wordt het toch mogelijk, om niet te zeggen onvermijdelijk, dat ergens, in enkele cellen, kritische genen getroffen worden die belangrijk zijn voor de groei- en overlevingskarakteristieken van de getroffen cel. Op dat ogenblik begint een eerste darwinistische expansiegolf. Dan groeien een competitief gemuteerde cel en haar nakomelingen uit tot een belangrijke en zelfs dominerende celfractie (‘kloon’) in het orgaan waar ze deel van uitmaken. Eenmaal de gemuteerde kloon voldoende groot is, wordt de kans op een tweede kritische mutatie in één van de cellen ervan groter, en begint de klonale expansie van dubbele mutanten. En die tweede golf van klonale expansie kan nog eens worden gevolgd door een derde, een vierde, een vijfde, …. In een darwinistische wedren – niet tussen individuele organismen binnen een species, maar wel tussen individuele cellen in een orgaan en een organisme – verwerven klonen of subklonen met versnelde groei- en verbeterde overlevingskenmerken telkens weer het numerieke overwicht, ten nadele van de cellen met ‘wild type’ of minder competitieve kenmerken. De combinatie van willekeurig optredende mutaties in het genoom, onmetelijk grote aantallen cellen en een darwinistische intercellulaire wedloop verklaren dus hoe combinaties van kritische ‘driver mutations’ sequentieel kunnen worden opgestapeld binnen één cel, over een periode van meerdere tot tientallen jaren.

De grote aantallen verworven mutaties die in de geanalyseerde kankers worden aangetroffen, bevestigen het geleidelijk evoluerende model van Hanahan en Weinberg. Ze zijn zo talrijk en verspreid dat ze onmogelijk in één klap verworven kunnen zijn. Bovendien is er een overgrote meerderheid aan passagiersmutaties en niet meer dan een handvol ‘driver mutations’. Dit onderstreept het willekeurige karakter waarmee mutaties ontstaan in het genoom en waardoor ze ook meestal zonder gevolg blijven. Maar soms wordt een stukje van de cellulaire gedragscode ge(k)raakt door een ‘driver mutation’ en kunnen een getroffen cel en haar nakomelingen afwijken van hun normale sociale niet-competitieve gedrag. Een volwassen lichaamscel heeft hetzelfde erfelijke materiaal als de embryonale stamcellen die vroeg na de bevruchting aanwezig zijn, en die onbeperkte groei- en ontwikkelingsmogelijkheden hebben. Een volwassen cel beschikt in principe ook over deze code, maar meerdere lagen van controlemechanismen verhinderen hen dit ongelimiteerde groeipotentieel aan te spreken. Diezelfde controlemechanismen die deze doos van Pandora gesloten houden, beschermen hen tegen kwaadaardige ontaarding. ‘Driver mutations’ slopen deze controlerende en beschermende barrières één voor één en maken het mogelijk dat de cel losbreekt uit de beperkingen waaraan ze normaal onderworpen is.

Onlangs stootten kankergenetici van het Wellcome Trust Sanger Institute (Cambridge, Verenigd Koninkrijk) met nieuwe sequencingtechnieken op een nieuw mutatiepatroon in minstens twee tot drie procent van de onderzochte gevallen van kanker. Tientallen tot honderden genetische mutaties werden aangetroffen op één of hooguit enkele aangetaste chromosomen. Op andere chromosomen was de densiteit van verworven mutaties veel lager. Dit patroon is moeilijk te verenigen met een model van willekeurig optredende, opeenvolgende mutaties. De onderzoekers leiden hieruit af dat er in voorlopers van kankercellen ‘uitbarstingen’ van genetische beschadiging kunnen optreden, waarbij in een beperkte perimeter in het genoom, op één of hooguit enkele chromosomen, meervoudige breukpunten en fragmenten ontstaan. Welke ‘splinterbommen’ dit impact veroorzaken is niet gekend, maar blootstelling aan hoogenergetische ioniserende straling kan een potentiële oorzaak zijn. Een andere mogelijkheid is dat de mechanismen die de DNA-strengen inpakken, stabiliseren en beschermen tegen breuken en ander onheil, het plaatselijk lieten afweten. Of dat enzymes die het DNA verknippen bij geprogrammeerde celdood soms even aan de controlemechanismen konden ontsnappen. Voor dit nieuwe patroon werd het woord ‘chromothripsis’ in het leven geroepen, waarbij ‘chromo’ verwijst naar chromosoom en ‘thripsis’ naar het Griekse θρυπτω (‘in kleine stukken slaan of wrijven’ of ‘klein krijgen, verzwakken, uitputten’). Dezelfde stam (met ypsilon) vinden we terug in de enzymes trypsine en chymotrypsine. Chromothripsis is een cellulaire catastrofe en meestal waarschijnlijk ook een doodvonnis voor de getroffen cel. In dat geval is ook de tweede betekenis van θρυπτω van toepassing (‘klein krijgen, verzwakken, uitputten’). Maar blijkbaar proberen getroffen cellen de schade ook te herstellen, zo goed en zo kwaad als het kan, en in dit herstelproces ontstaan dan, in één klap, meervoudige en ingewikkelde mutaties. Combinaties van mutaties die de overlevings- en groeicapaciteit significant verbeteren, vergroten de overlevingskans voor een cel die vecht om te overleven. De crisis van chromothripsis kan een cel dus een ‘window of opportunity’ bieden om in een erg korte tijdspanne grote voorsprong te nemen in competitiviteit tegenover niet getroffen zustercellen.

‘Chromothripsis’ toont dat complexe mutaties ook in een erg korte tijdspanne kunnen plaatsvinden en verklaart waarom kanker ook jonge personen kan treffen

Het model van Hanahan en Weinberg typeert het ontstaan van kanker als een traag en geduldig zoeken naar de uitweg uit de strenge sociale gedragscode voor cellen in multicellulaire organismen. Het model schetst kanker ook als een onvermijdelijke dreiging voor ieders oude jaren, maar bleef het antwoord schuldig op de vraag waarom kanker ook op erg jonge leeftijd kan optreden. ‘Chromothripsis’ toont dat complexe mutaties ook in een erg korte tijdspanne kunnen plaatsvinden, en verklaart waarom kanker dus ook jonge personen kan treffen. Het typische mutatiepatroon van chromothripsis is inderdaad aanwezig in het genoom van leukemie bij zuigelingen en van andere kankers bij jonge personen. Het is nu zoeken naar de oorzaken van chromothripsis. Als we die kunnen vinden, kunnen gepaste bliksemafleiders de gevolgen van zo’n inslag in een cel hopelijk voorkomen.

J.M. Tubio, X. Estivill, ‘Cancer: When catastrophe strikes a cell’ in: Nature, 2011, 470, 476-7.
P.J. Stephens, C.D. Greenman, B. Fu, F. Yang, G.R. Bignell, L.J. Mudie, E.D. Pleasance, K.W. Lau, D. Beare, L.A. Stebbings, S. McLaren, M.L. Lin, D.J. McBride, I. Varela, S. Nik-Zainal, C. Leroy, M. Jia, A. Menzies, A.P. Butler, J.W. Teague, M.A. Quail, J. Burton, H. Swerdlow, N.P. Carter , L.A. Morsberger, C. Iacobuzio-Donahue, G.A. Follows, A.R. Green, A.M. Flanagan, M.R. Stratton, P.A. Futreal, P.J. Campbell, ‘Massive genomic rearrangement acquired in a single catastrophic event during cancer development’ in: Cell; 2011, 144, 27-40.

Peter Vandenberghe is als internist-hematoloog en kankergeneticus verbonden aan de KU Leuven en UZ Leuven.