Profilo Molecolare in una Coorte di Neoplasie Tiroidee Insorte nell'Area Vulcanica della Sicilia

Thyroid cancer is the most frequent tumor of the endocrine system. An increased incidence of papillary thyroid cancers (PTC) has been observed in volcanic areas worldwide, due to a chronic exposure to low-level heavy metals pollution. Additionally, subjects with a history of childhood tumors, who received chemo-radiotherapy, display a higher risk to develop PTC later in life. Despite the molecular landscape of PTC has been largely explored, it remains unknown if tumors diagnosed in patients from a volcanic area present distinct genomic features. Similarly, molecular characteristics of PTC arising in individuals with an history of pediatric malignancy have been only partly elucidated, with most of the data regarding radiation-related tumors. Lastly, follicular adenomas represent benign thyroid neoplasms, whose molecular background have been scarcely investigated. In this study, we performed a next generation sequencing analysis in a cohort of PTC and thyroid adenomas diagnosed in subjects from the volcanic area of Mount Etna, using a custom panel. Of the 22 PTC samples analyzed, 7 were from patients exposed to chemotherapy and/or radiotherapy for a pediatric cancer. In our population, de novo PTC presented a high incidence of BRAF and ZFHX3 mutations. Some cases harbored a concomitant alteration in BRAF and H/KRAS, which are mutually exclusive according to the existing literature. However, all the KRAS mutations involved non-coding regions of the gene and their functional significance remains controversial. As expected, 3 follicular variant PTC were RAS-driven. Secondary PTC displayed two mutational patterns. On the one side, radiation-induced tumors showed an hypermutated profile, with a non-canonical BRAF fusion and an enrichment in copy number variations (CNV). On the other hand, PTC occurring in patients exposed to chemotherapy alone presented a stable genomic profile, with few mutations, not reflecting the classical BRAF/RAS dualism. Of note, ZFHX3 was altered in all the secondary PTC. Lastly, adenomas showed a discrete number of alterations, mainly involving KRAS, ZFHX3 and KMT2C, besides some unexpected CNV. Further bioinformatic analyses about protein-protein networks, enriched biological functions and pathways showed several differences in the studied populations. While de novo PTC were mainly enriched with MAPK signaling-related functions and pathways, secondary tumors also presented an enrichment in gene expression, TP53 activation/regulation and DNA repair. Lastly, molecular alterations in thyroid adenomas also converged on the MAPK signaling, but with some unique features, such as enrichment in biological process related to cell adhesion, motility and migration and FGFR-related pathways. Overall, our study suggest that the molecular landscape of PTC developing in subjects from a volcanic area is only partly concordant with pre-existing literature evidence. Moreover, individuals previously exposed to radiotherapy, but not those exposed to chemotherapy only, seem to have a greater risk to develop a hypermutated, and hence more aggressive, PTC. Lastly, the profile of thyroid adenomas was enriched with SNV and CNV converging on biological pathways that were substantially different to those observed in PTC. These findings may have significant clinical implications and thus deserve further validation in larger and prospective cohorts.

I tumori della tiroide rappresentano le neoplasie più frequenti del sistema endocrino. Una incidenza aumentata di tumori papillari della tiroide (PTC) è stata osservata nelle aree vulcaniche, a causa di una cronica esposizione a bassi livelli di inquinamento da metalli pesanti. Inoltre, individui con una storia di neoplasia pediatrica, sottoposti a chemioterapia e/o radioterapia, presentano un rischio incrementato di sviluppare un tumore tiroidea più avanti nella vita. Nonostante il profilo molecolare dei PTC sia stato largamente studiato, rimane da definire se i tumori diagnosticati in zone vulcaniche presentino caratteristiche genomiche distinte. Allo stesso modo, le caratteristiche molecolari di PTC insorti in soggetti con una storia di tumore pediatrico sono stati solo in parte elucidate, e la maggior parte delle informazioni esistenti riguardano neoplasie radio-indotte. Infine, gli adenomi follicolari rappresentano neoplasie tiroidee benigne, il cui profilo molecolare è stato poco indagato. In questo studio, abbiamo eseguito un analisi in next generation sequencing, in una coorte di PTC ed adenomi tiroidei diagnosticati in soggetti provenienti dall’area vulcanica del Monte Etna. Dei 22 campioni di PTC analizzati, 7 erano di pazienti esposti a chemioterapia e/o radioterapia per una neoplasia pediatrica. Nella nostra popolazione, I PTC de novo hanno presentato una alta incidenza di mutazioni a carico di BRAF e ZFHX3. In alcuni casi erano presenti alterazioni concomitanti di BRAF e H/KRAS, le quali sono mutuamente esclusive secondo i dati di letteratura disponibili. Tuttavia, tutte le mutazioni di KRAS coinvolgevano regioni non codificanti del gene, e il loro significato funzionale resta pertanto incerto. Come atteso, i 3 PTC a variante follicolare presenti erano dipendenti dalla via di RAS. I PTC secondari hanno mostrato due diversi pattern mutazionali. Da un lato, i tumori radio-indotti hanno mostrato un profilo iper-mutato, con una fusione di BRAF e un arricchimento in variazioni del numero di copie (CNV). Dall’altra parte, PTC insorti in pazienti esposti alla sola chemioterapia hanno presentato un profilo genomico stabile, con poche mutazioni, non rispondenti al classico dualismo BRAF/RAS. Il gene ZFHX3 era mutato in tutti I PTC secondari. Infine, gli adenomi presentavano un numero moderato di alterazioni, specialmente a carico fi KRAS, ZFHX3 and KMT2C, oltre ad alcune CNV inattese. Ulteriori analisi bioinformatiche riguardo le interazioni proteina-proteina, l’arricchimento di funzioni biologiche e di vie di trasduzione del segnale hanno mostrato diverse differenze nelle popolazioni in studio. Mentre i PTC de novo erano principalmente arricchiti in funzioni e pathways correlati alla via di segnalazione della MAPK, i tumori secondari presentavano anche un arricchimento in funzioni relate all’espressione genica, all’attivazione/regolazione di TP53 e al riparo del DNA. Anche le alterazioni molecolari presenti negli adenomi convergevano sulla via della MAPK, ma con alcune caratteristiche peculiari, come l’arricchimento in processi biologici relativi all’adesione cellulare, alla motilità, alla migrazione e a pathway correlati a FGFR. Nel complesso, il nostro studio suggerisce che il panorama molecolare dei PTC insorti in soggetti provenienti da un’area vulcanica è solo in parte sovrapponibile a quanto evidenziato dalle pre-esistenti evidenze di letteratura. Inoltre, individui precedentemente esposti a radioterapia, ma non quelli esposti alla sola chemioterapia, sembrano mostrare un rischio aumentato di sviluppare tumori iper-mutati e verosimilmente più aggressivi. In ultimo, il profilo molecolare degli adenoma tiroidei ha mostrato un arricchimento in alterazioni di singoli nucleotidi e CNV convergenti su vie biologiche sostanzialmente diverse da quelle emerse nei PTC. Questi risultati potrebbero avere delle implicazioni cliniche significative e meritano pertanto una ulteriore validazione in una coorte più ampia e prospettica.