A study published today in the journal Science reveals how jumping fragments of human DNA, a type of genetic parasite, destabilise the cancer genome. Unstable genomes are a fertile playground for cancer evolution, giving malignant cells more opportunities to grow, adapt and evade treatment.

The researchers analysed genome sequences from tumours with unusually high activity of LINE-1 (L1) elements, fragments of DNA which copy themselves and paste that copy into other locations within the genome.

Previously thought to be a source of local mutations that occasionally disrupt individual genes when inserted into the wrong place, the researchers now find evidence that L1 activity can also drive large-scale architectural modifications which seed genomic chaos.

“Cancer genomes are more influenced by these jumping fragments of DNA parasites than we previously thought,” explains Professor José Tubio, researcher at the Centro de Investigación en Medicina Molecular y Enfermedades Crónicas (CiMUS) at the Universidade de Santiago de Compostela (USC) and coordinator of the study.

The findings challenge the long-held assumption that L1 activity is a byproduct of an already chaotic cancer genome. Instead of appearing in late stages of cancer, the study found two in three (65%) L1 events occurred during the early stages of tumour evolution.

The discovery could help explain how cancer reshapes the genome, and vice versa, at the early stages of the disease, knowledge which could eventually lead to new strategies for early detection and treatment.

“The next focus should be understanding when and where L1 activity tips the balance and how to target that therapeutically,” says Dr. Bernardo Rodriguez-Martin, Independent Fellow at the Centre for Genomic Regulation in Barcelona and one of the main authors of the study.

The legacy of ancient ‘DNA parasites’

L1 elements are ancient genetic hitchhikers. They are considered parasitic DNA sequences because almost all of them are either neutral or deleterious for the host organism, existing to promote their own replication through a process called retrotransposition.

For many million years of mammalian evolution, L1 elements have been amplifying in the genome. There are roughly 500,000 copies which make up 17% of the human genome, but most are genomic fossils that lie dormant. On average, each individual has a small fraction of between 150 and 200 L1 elements which can still jump and insert themselves into new genomic locations.

L1 retrotransposition is known to be a frequent mutational process in different types of cancers, including head and neck, lung and colorectal tumours. Early evidence has shown these events help tumours grow and adapt by producing genomic aberrations affecting cancer genes.

Exactly how L1 elements disrupt genomes, and to what extent they do so in health or disease has been unclear because much of what scientists could see depended on a technology called short-read DNA sequencing. When reading DNA, short-read technologies struggle to reconstruct how L1 elements alter the genome’s architecture.

To get around that, the researchers used a new technology called long-read sequencing. For the first time, this allowed them to see the full changes L1 elements make to the structure of the cancer genome, including deletions, translocations and other rearrangements to the DNA sequence.

One in 40 jumps rewire the genome

The researchers selected ten tumours with high L1 activity for in-depth sequencing: five head & neck squamous carcinomas, four lung squamous carcinomas and one colorectal adenoma. They found a total of 6,418 retrotransposition events, with variation between cancer types. 

The vast majority of copy and paste events found were insertions. These are instances where L1 elements insert a copy of themselves into the DNA sequence at other locations, altering the genome’s length. These events might interrupt a gene’s function, but most insertions are truncated and so unlikely to jump again.

Amongst these thousands of cases, the team also identified 152 instances where L1 created large-scale structural rearrangements, with an incidence rate of 1 in 40 for tumours with high L1 activity and 1 in 60 for tumours with lower activity. These changes to the genome’s architecture are much more dramatic and disruptive, making them potentially powerful drivers of cancer development. 

“On paper, 152 might not sound like a huge number. But when you’re looking at just ten tumours, that’s extraordinarily high,” says Rodriguez-Martin.

The finding matters because it strengthens arguments for using long-read sequencing in cases where standard tests cannot explain a tumour’s behaviour, as short-read sequencing would not detect the possible mechanism of action. 

“Three quarters of these large-scale rearrangements would have flown under the radar of short-read sequencing technologies. However, we expect the price of long-read sequencing to drop by roughly half this year alone, meaning this kind of deep structural analysis won’t remain niche for long,” says Dr. Rodriguez-Martin.

The structural rearrangements had many different mechanisms of action, including a DNA exchange between chromosomes that has been unknown to science until now. The researchers hypothesise it may be due to two separate L1 events that occur at roughly the same time on different chromosomes, with each swapping around the same amount of DNA in a balanced exchange they call a reciprocal translocation.

“It's as if two different pages of a book were torn simultaneously and fragments exchanged with each other. L1 elements behave like glue that sticks both pages together," explains Sonia Zumalave, first author of the study.

New clues about early tumour formation

A frequent early milestone of tumour formation is a whole genome doubling event, which happens when a cancer cell accidentally duplicates its entire set of chromosomes. Whole genome doubling occurred a median of 4.77 years before the diagnosis of the tumours used in the study.

The researchers found that most L1 activity preceded the whole genome doubling event, meaning retrotransposition can be an early mutational process. That suggests L1 activity is a bigger contributor to the genomic chaos that precedes cancer formation than previously thought.

In a side experiment, the study found that the promoters of L1 events are typically less methylated in tumours than in nearby non-tumour tissue, a pattern consistent with the idea that epigenetic changes to the human genome could awaken dormant parasitic DNA sequences.

There are limitations to the study. Its results are based on a deliberately chosen set of cancers with extreme L1 activity so that the scientists could detect rare mechanisms that would be invisible in samples with lower activity, meaning the findings may not apply to other types of tumours.

The study was carried out by the Centro de Investigación en Medicina Molecular y Enfermedades Crónicas (CiMUS) at the Universidade de Santiago de Compostela in collaboration with the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona, Université Côte d’Azur in France, the Francis Crick Institute in the United Kingdom, and the University of Texas MD Anderson Cancer Center in the United States.

EN CASTELLANO

Fragmentos de "parásitos" saltarines del ADN se activan en fases tempranas del cáncer 

Un estudio publicado hoy en la revista Science revela cómo fragmentos móviles del ADN humano, un tipo de parásito genético, desestabilizan el genoma del cáncer. 

Los genomas inestables constituyen un terreno fértil para la evolución tumoral, ofreciendo a las células malignas más oportunidades para crecer, adaptarse y evadir los tratamientos.

El equipo analizó secuencias genómicas de tumores con una actividad inusualmente elevada de elementos LINE-1 (L1), fragmentos de ADN que se copian a sí mismos y pegan esa copia en otras ubicaciones del genoma.

Hasta ahora se creía que eran una fuente de mutaciones locales que, en ocasiones, alteraban genes individuales al insertarse en el lugar equivocado. Sin embargo, el estudio demuestra que la actividad de L1 también puede impulsar modificaciones arquitectónicas a gran escala que siembran el caos genómico.

"Estos fragmentos saltarines de ADN parasitarios tienen una influencia mayor en el cáncer de lo que pensábamos", explica el profesor José Tubio, investigador del Centro de Investigación en Medicina Molecular y Enfermedades Crónicas (CiMUS) de la Universidade de Santiago de Compostela (USC) y coordinador del estudio.

Los resultados cuestionan la idea de que la actividad de L1 es simplemente una consecuencia de un genoma tumoral ya desorganizado. En lugar de aparecer en fases avanzadas, el estudio halló que dos de cada tres eventos L1 (65%) se producen en las primeras etapas de la evolución tumoral.

El hallazgo podría ayudar a explicar cómo el cáncer remodela el genoma —y cómo el genoma, a su vez, moldea el cáncer— en fases tempranas de la enfermedad, un conocimiento que en el futuro podría abrir nuevas estrategias de detección precoz y tratamiento.

"El siguiente paso debe ser comprender cuándo y dónde la actividad de L1 inclina la balanza y cómo podría abordarse terapéuticamente", afirma el doctor Bernardo Rodríguez-Martín, investigador independiente del Centro de Regulación Genómica (CRG) en Barcelona y uno de los principales autores del estudio.

El legado de antiguos "parásitos" del ADN

Los elementos L1 se consideran secuencias parasitarias porque casi todos ellos son neutros o perjudiciales para el huésped, existiendo para promover su propia replicación mediante un proceso denominado retrotransposición.

Durante millones de años de evolución de los mamíferos, los elementos L1 se han ido amplificando en el genoma. Existen aproximadamente 500.000 copias que representan el 17% del genoma humano, aunque la mayoría son fósiles genómicos inactivos. De media, cada persona posee entre 150 y 200 elementos L1 capaces aún de saltar e insertarse en nuevas localizaciones del genoma.

Se sabe que la retrotransposición de L1 es un proceso mutacional frecuente en distintos tipos de cáncer, incluidos los tumores de cabeza y cuello, pulmón y colorrectales. Estudios previos habían mostrado que estos eventos pueden favorecer el crecimiento y la adaptación tumoral al generar aberraciones genómicas que afectan a genes implicados en el cáncer.

Sin embargo, no estaba claro cómo los elementos L1 alteraban el genoma, ni hasta qué punto lo hacían en condiciones de salud o enfermedad, ya que gran parte de lo que podía observarse dependía de una tecnología denominada secuenciación de ADN de lectura corta. Este método presenta limitaciones para reconstruir cómo los L1 modifican la arquitectura del genoma.

Para superar ese obstáculo, el equipo empleó una tecnología más reciente, la secuenciación de lectura larga. Por primera vez, pudieron observar en su totalidad los cambios estructurales que los L1 introducen en el genoma tumoral, incluidas deleciones, translocaciones y otros reordenamientos del ADN.

Uno de cada 40 saltos reconfigura el genoma

El equipo investigador seleccionó diez tumores con alta actividad de L1 para un análisis en profundidad: cinco carcinomas escamosos de cabeza y cuello, cuatro carcinomas escamosos de pulmón y un adenoma colorrectal. Identificaron un total de 6.418 eventos de retrotransposición, con variaciones según el tipo de cáncer.

La gran mayoría de los eventos detectados fueron inserciones, es decir, copias de L1 que se integran en nuevas posiciones del ADN y alteran la longitud del genoma. Estas inserciones pueden interrumpir la función de un gen, aunque muchas están truncadas y es poco probable que vuelvan a saltar.

Entre los miles de casos analizados, el equipo detectó también 152 situaciones en las que L1 generó reordenamientos estructurales a gran escala. La incidencia fue de un caso por cada 40 en tumores con alta actividad de L1 y de uno por cada 60 en tumores con menor actividad. Estos cambios arquitectónicos son mucho más drásticos y potencialmente más determinantes en el desarrollo del cáncer.

"Sobre el papel, 152 puede no parecer un número enorme. Pero cuando se analizan solo diez tumores, es extraordinariamente alto", señala Rodríguez-Martín.

El hallazgo refuerza la idea de emplear la secuenciación de lectura larga en aquellos casos en los que las pruebas estándar no logran explicar el comportamiento de un tumor, ya que la secuenciación de lectura corta no detectaría estos mecanismos.

"Tres cuartas partes de estos grandes reordenamientos habrían pasado desapercibidos con tecnologías de lectura corta. Sin embargo, esperamos que el precio de la secuenciación de lectura larga se reduzca aproximadamente a la mitad solo este año, lo que significa que este tipo de análisis estructural profundo dejará de ser algo minoritario en poco tiempo", añade el Dr. Rodríguez-Martín.

Los reordenamientos estructurales identificados presentaban mecanismos diversos, entre ellos un intercambio de ADN entre cromosomas hasta ahora desconocido para la ciencia. El equipo plantea la hipótesis de que podría deberse a dos eventos L1 independientes que ocurren casi simultáneamente en cromosomas distintos, intercambiando cantidades similares de ADN en lo que denominan una translocación recíproca.

"Es como si se arrancaran al mismo tiempo dos páginas distintas de un libro y se intercambiaran fragmentos entre ellas. Los elementos L1 actúan como un pegamento que une ambas páginas", explica Sonia Zumalave, primera autora del estudio.

Nuevas pistas sobre las primeras etapas del cáncer

Un hito frecuente en las primeras fases de la formación tumoral es la duplicación completa del genoma, que se produce cuando una célula cancerosa duplica accidentalmente todo su conjunto de cromosomas. En los tumores analizados, esta duplicación ocurrió una mediana de 4,77 años antes del diagnóstico.

El estudio demuestra que la mayor parte de la actividad de L1 precedía a ese evento de duplicación, lo que indica que la retrotransposición puede ser un proceso mutacional temprano. Esto sugiere que la actividad de L1 contribuye en mayor medida de lo que se creía al caos genómico que precede a la aparición del cáncer.

En un experimento complementario, el estudio halló que los promotores de los eventos L1 presentan habitualmente un menor nivel de metilación en los tumores que en el tejido no tumoral adyacente, un patrón coherente con la idea de que los cambios epigenéticos podrían reactivar las secuencias parasitarias latentes del genoma humano.

El estudio presenta limitaciones. Los resultados se basan en un conjunto seleccionado deliberadamente de cánceres con actividad extrema de L1, con el fin de detectar mecanismos poco frecuentes que serían invisibles en muestras con menor actividad. Por tanto, las conclusiones podrían no ser extrapolables a otros tipos de tumores.

La investigación fue realizada por el Centro de Investigación en Medicina Molecular y Enfermedades Crónicas (CiMUS) de la Universidade de Santiago de Compostela en colaboración con el Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona, la Université Côte d’Azur (Francia), el Francis Crick Institute (Reino Unido) y el University of Texas MD Anderson Cancer Center (Estados Unidos).

EN CATALÀ

Fragments de "paràsits" saltadors de l'ADN s'activen en fases primerenques del càncer 

Un estudi publicat avui a la revista Science revela com fragments mòbils de l'ADN humà, un tipus de paràsit genètic, desestabilitzen el genoma del càncer. 

Els genomes inestables constitueixen un terreny fèrtil per a l'evolució tumoral, oferint a les cèl·lules malignes més oportunitats per créixer, adaptar-se i evadir els tractaments.

L'equip va analitzar seqüències genòmiques de tumors amb una activitat inusualment elevada d'elements LINE-1 (L1), fragments d'ADN que es copien a si mateixos i enganxen aquesta còpia en altres ubicacions del genoma.

Fins ara es creia que eren una font de mutacions locals que, en ocasions, alteraven gens individuals en inserir-se en el lloc equivocat. Tanmateix, l'estudi demostra que l'activitat d’L1 també pot impulsar modificacions arquitectòniques a gran escala que sembren el caos genòmic.

"Aquests fragments saltadors d'ADN parasitaris tenen una influència més gran en el càncer del que pensàvem", explica el professor José Tubio, investigador del Centre d'Investigació en Medicina Molecular i Malalties Cròniques (CiMUS) de la Universidade de Santiago de Compostel·la (USC) i coordinador de l'estudi.

Els resultats qüestionen la idea que l'activitat d’L1 és simplement una conseqüència d'un genoma tumoral ja desorganitzat. En lloc d'aparèixer en fases avançades, l'estudi va trobar que dos de cada tres esdeveniments L1 (65%) es produeixen en les primeres etapes de l'evolució tumoral.

La troballa podria ajudar a explicar com el càncer remodela el genoma —i com el genoma, alhora, modela el càncer— en fases primerenques de la malaltia, un coneixement que en el futur podria obrir noves estratègies de detecció precoç i tractament.

"El següent pas ha de ser comprendre quan i on l'activitat d’L1 inclina la balança i com podria abordar-se terapèuticament", afirma el doctor Bernardo Rodríguez-Martín, investigador independent del Centre de Regulació Genòmica (CRG) a Barcelona i un dels principals autors de l'estudi.

El llegat d'antics "paràsits" de l'ADN

Els elements L1 es consideren seqüències parasitàries perquè gairebé tots ells són neutres o perjudicials per a l'hoste, existint per promoure la seva pròpia replicació mitjançant un procés denominat retrotransposició.

Durant milions d'anys d'evolució dels mamífers, els elements L1 s'han anat amplificant en el genoma. Hi ha aproximadament 500.000 còpies que representen el 17% del genoma humà, tot i que la majoria són fòssils genòmics inactius. De mitjana, cada persona té entre 150 i 200 elements L1 capaços encara de saltar i inserir-se en noves localitzacions del genoma.

Se sap que la retrotransposició d’L1 és un procés mutacional freqüent en diferents tipus de càncer, inclosos els tumors de cap i coll, pulmó i colorectals. Estudis previs havien mostrat que aquests esdeveniments poden afavorir el creixement i l'adaptació tumoral en generar aberracions genòmiques que afecten gens implicats en el càncer.

No obstant això, no estava clar com els elements L1 alteraven el genoma, ni fins a quin punt ho feien condicions de salut o malaltia, ja que gran part del que podia observar-se depenia d'una tecnologia denominada seqüenciació d'ADN de lectura curta. Aquest mètode presenta limitacions per reconstruir com els L1 modifiquen l'arquitectura del genoma.

Per superar aquest obstacle, l'equip va utilitzar una tecnologia més recent, la seqüenciació de lectura llarga. Per primera vegada, van poder observar en la seva totalitat els canvis estructurals que els L1 introdueixen en el genoma tumoral, incloses delecions, translocacions i altres reordenacions de l'ADN.

Un de cada 40 salts reconfigura el genoma

L'equip investigador va seleccionar deu tumors amb alta activitat d’L1 per a una anàlisi en profunditat: cinc carcinomes escamosos de cap i coll, quatre carcinomes escamosos de pulmó i un adenoma colorectal. Van identificar un total de 6.418 esdeveniments de retrotransposició, amb variacions segons el tipus de càncer.

La gran majoria dels esdeveniments detectats van ser insercions, és a dir, còpies d’L1 que s'integren en noves posicions de l'ADN i alteren la longitud del genoma. Aquestes insercions poden interrompre la funció d'un gen, tot i que moltes estan truncades i és poc probable que tornin a saltar.

Entre els milers de casos analitzats, l'equip va detectar també 152 situacions en què L1 va generar reordenacions estructurals a gran escala. La incidència va ser d'un cas per cada 40 en tumors amb alta activitat d’L1 i d'un per cada 60 en tumors amb menor activitat. Aquests canvis arquitectònics són molt més dràstics i potencialment més determinants en el desenvolupament del càncer.

"Sobre el paper, 152 pot no semblar un número enorme. Però quan s'analitzen només deu tumors, és extraordinàriament alt", assenyala Rodríguez-Martín.

La troballa reforça la idea d'emprar la seqüenciació de lectura llarga en aquells casos en què les proves estàndard no aconsegueixen explicar el comportament d'un tumor, ja que la seqüenciació de lectura curta no detectaria aquests mecanismes.

"Tres quartes parts d'aquestes grans reordenacions haurien passat desapercebudes amb tecnologies de lectura curta. No obstant això, esperem que el preu de la seqüenciació de lectura llarga es redueixi aproximadament a la meitat només aquest any, cosa que significa que aquest tipus d'anàlisi estructural profunda deixarà de ser una cosa minoritària en poc temps", afegeix el Dr. Rodríguez-Martín.

Les reordenacions estructurals identificades presentaven mecanismes diversos, entre ells un intercanvi d'ADN entre cromosomes fins ara desconegut per a la ciència. L'equip planteja la hipòtesi que la causa podrien ser dos esdeveniments L1 independents que ocorren gairebé simultàniament en cromosomes diferents, intercanviant quantitats similars d'ADN en el que anomenen una translocació recíproca.

"És com si s'arrenquessin alhora dues pàgines diferents d'un llibre i s'intercanviessin fragments entre elles. Els elements L1 actuen com un adhesiu que uneix ambdues pàgines", explica Sonia Zumalave, primera autora de l'estudi.

Noves pistes sobre les primeres etapes del càncer

Una fita freqüent en les primeres fases de la formació tumoral és la duplicació completa del genoma, que es produeix quan una cèl·lula cancerosa duplica accidentalment tot el seu conjunt de cromosomes. En els tumors analitzats, aquesta duplicació va ocórrer una mitjana de 4,77 anys abans del diagnòstic.

L'estudi demostra que la major part de l'activitat d’L1 precedia aquest esdeveniment de duplicació, fet que indica que la retrotransposició pot ser un procés mutacional primerenc. Això suggereix que l'activitat d’L1 contribueix en major mesura del que es creia al caos genòmic que precedeix l'aparició del càncer.

En un experiment complementari, l'estudi va trobar que els promotors dels esdeveniments L1 presenten habitualment un nivell menor de metilació en els tumors que en el teixit no tumoral adjacent, un patró coherent amb la idea que els canvis epigenètics podrien reactivar les seqüències parasitàries latents del genoma humà.

L'estudi presenta limitacions. Els resultats es basen en un conjunt seleccionat deliberadament de càncers amb activitat extrema d’L1, per tal de detectar mecanismes poc freqüents que serien invisibles en mostres amb menor activitat. Per tant, les conclusions podrien no ser extrapolables a altres tipus de tumors

La investigació va ser realitzada pel Centre de Recerca en Medicina Molecular i Malalties Cròniques (CiMUS) de la Universidade de Santiago de Compostel·la en col·laboració amb el Centre de Regulació Genòmica (CRG) de Barcelona, la Université Côte d'Azur (França), el Francis Crick Institute (Regne Unit) i el University of Texas MD Anderson Cancer Center (Estats Units).