I-19 Strokovni prispevek/Professional article VPLIV POLIMORFIZMA GLUTATIONSKIH S TRANSFERAZ NA POJAV SEKUNDARNIH NOVOTVORB PO ZDRAVLJENJU LEVKEMIJE V OTROŠTVU THE EFFECT OF POLYMORPHISM IN GLUTATHIONE S-TRANSFERASES ON THE DEVELOPING SECOND MALIGNANT NEOPLASMS AFTER LEUKEMIA TREATMENT IN CHILDHOOD Janez Jazbec1, Vita Dolžan2, Maruša Debeljak1, Richard Aplenc3, Berta Jereb4 1 Služba za onkologijo in hematologijo, Pediatrična klinika, Klinični Center, Vrazov trg 1, 1525 Ljubljana 2 Inštitut za biokemijo, Medicinska fakulteta v Ljubljani, Vrazov trg 2, 1000 Ljubljana 3 Children’s Hospital of Philadelphia, 34th Street, Philadelphia, USA 4 Onkološki inštitut Ljubljana, Zaloška 2, 1000 Ljubljana Prispelo 2004-02-13, sprejeto 2004-03-12; ZDRAV VESTN 2004; 73: Supl. I: 19–22 Key words: gluthatione S-transferase; childhood leukemia; secondary neoplasm Abstract – Background. Survivors of childhood leukemia have an increased risk of developing second malignant neoplasms and specific treatment factors such as alkylating agents, topoisomerase inhibitors and radiation have been associated with their occurrence. Genetic polymorphism in drug-metabolizing enzymes may result in impared detoxifica- tion of chemotherapeutics and may lead to increased risk for cancer. Methods. To test if polymorphism in glutathione S-trans- ferases (GST) genes is associated with occurrence of secon- dary malignant neoplasms, we compared GSTM1, GSTT1 and GSTP1 genotypes among 16 patients treated for childhood leukemia in whom second neoplasm occurred and matched the control group. Results. GSTM1 null genotype was found in 44% of patients with second neoplasms and in 50% in control group (p = 0.768), GSTT1 null genotype in 19% of cases and in 29% of controls (p = 0.729) and GSTP1 105 Ile/ile in 50% of cases and 37% of controls (p = 0.537). Differences in distribution of GST genotypes in patients with second neoplasms after childhood leukemia, compared to a matched control group of patients were not statistically significant. Conclusions. In our study we were not able to show relation between GST genotype and occurrence of second neoplasms after the childhood acute leukemia. Ključne besede: glutation S transferaze; levkemija otroške dobe; sekundarna novotvorba Izvleček – Izhodišča. Povečano tveganje za nastanek sekun- darnih novotvorb po zdravljenju levkemije v otroštvu je del- no povezano tudi s specifičnimi elementi zdravljenja, kot so alkilirajoči agensi, inhibitorji topoizomeraz in radioterapi- ja. Genski polimorfizem encimov, ki so vpleteni v metaboli- zem zdravil, lahko vpliva na detoksifikacijo kemoterapevti- kov in prek tega mehanizma povečuje nevarnost za nastanek sekundarnih novotvorb. Metode. Za preveritev hipoteze, da je polimorfizem genov glutationskih S transferaz (GST) povezan z zvečanim tvega- njem za nastanek sekundarnih novotvorb, smo primerjali genotipe GSTT1, GSTM1 in GSTP1 16 bolnikov, pri katerih je bila po zdravljenju akutne levkemije v otroštvu odkrita se- kundarna novotvorba, z genotipi pri kontrolni skupini. Rezultati. Genotip GSTM1 null smo našli pri 44% bolnikov s sekundarno novotvorbo in pri 50% kontrol (p = 0,76), geno- tip GSTT1 null pri 19% primerov in 29% kontrol (p = 0,73) in GSTP1 105 Ile/Ile v 50% primerov in 37% kontrol (p = 0,53). Zaključki. Razlike v distribuciji GST genotipov pri bolnikih s sekundarnimi novotvorbami po zdravljenju akutne levkemi- je v otroštvu so v primerjavi s kontrolno skupino statistično neznačilne. ZDRAV VESTN 2004; 73: I-19–22 I-20 ZDRAV VESTN 2004; 73: SUPPL I Uvod Ob večji uspešnosti zdravljenja vseh oblik otroškega raka v zadnjih desetletjih, se vse več pozornosti usmerja na preuče- vanje poznih posledic, ki se pri bolnikih pojavljajo še desetlet- ja po zaključenem zdravljenju. Pojav sekundarnih novotvorb je opisan po zdravljenju različnih vrst otroških tumorjev. Mož- ni vzročni dejavniki pa so tudi nekateri elementi zdravljenja primarne bolezni, kot na primer alkilirajoči agensi, inhibitorji topoizomeraz in radioterapija (1). Znano je, da je posledica genetske variabilnosti v aktivnosti encimov, vpletenih v pre- snovo zdravil, lahko pomembna interindividualna razlika v pre- snovi citostatikov, zaradi česar lahko pride pri posameznih bolnikih, izpostavljenih enakim odmerkom zdravila, do različ- nih hudo izraženih stranskih učinkov (2). Posledica polimorfi- zma encimov, udeleženih v presnovi citostatikov, je lahko spre- menjena detoksifikacija citostatika. Višje ravni genotoksične substance prispevajo k dodatni okvari DNK, kar lahko vodi v razvoj sekundarne neoplazme. Glutation S transferaze (GST) so družina encimov, ki so udeleže- ni v detoksifikaciji genotoksičnih elektrofilnih snovi. Katalizira- jo njihovo konjugacijo z glutationom. Doslej je opisan polimorfi- zem petih humanih GST genov: mu (GSTM), theta (GSTT), pi (GSTP), alfa, sigma in zeta. Polimorfnost teh encimov je funkci- onalno pomembna (3). Polimorfizem GSTT1 in GSTM1 je posle- dica delecije, pri čemer bolnik, ki je homozigot, nima aktivne oblike encima. Homozigotna delecija GSTM1 je ugotovljena pri 50%, GSTT1 pa pri 20% posameznikov belske rase (4). Polimor- fizem GSTP1 je posledica substitucuje Izolevcina in Valina na ko- donu 105 (GSTP*1B), posledica je sprememba v katalitski aktiv- nosti in termični stabilnosti. Alela GSTM1 in GSTT1 sta povezana s povečanim tveganjem za nastanek različnih solidnih tumorjev in levkemije (5–8), prisotnost gena GSTP*1B pa je bila poveza- na z nastankom s kemoterapijo inducirane levkemije (9). Po dru- gi strani je bilo ugotovljeno, da je pri tumorjih z visoko ekspresi- jo GSTP1 občutljivost na kemoterapevtike povečana (10) in da je lahko prisotnost polimorfnega alela zaščitni dejavnik pred ci- totoksičnim učinkom elektofilnih citostatikov (11). Tveganje za raka pri posamezniku s homozigotno delecijo GSTT1 ali GSTM1 je zaradi tega majhno, pač pa se tveganje bistveno poveča ob interakciji z drugimi karcinogenimi dejavniki (npr. kajenje). Pre- snova nekaterih citostatikov, ki so integralni del zdravljenja otro- ških levkemij, kot so na primer epipodofilotoksini, antracilkini, alikilirajoči agensi, poteka preko GST (12). Razlika v njihovi pre- snovi bi lahko bila dejavnik tveganja za razvoj sekundarnih no- votvorb. V naši študiji smo želeli preučiti vpliv polimorfizma GST na tveganje za razvoj sekundarne novotvorbe po zdravljenju lev- kemije v otroštvu. Primerjali smo delež GSTT1, GSTM1 in GST*1B genotipov pri bolnikih, zdravljenih zaradi levkemije v otroštvu, pri katerih je po končanem zdravljenju bila ugotov- ljena sekundarna neoplazma, z deležem v kontrolni skupini, ki so jo sestavljali bolniki, zdravljeni zaradi levkemije v otrošt- vu, pri katerih v času opazovanja po zdravljenju nismo ugoto- vili nastanka sekundarne novotvorbe. Bolniki in metode V obdobju od 1. 1. 1961 do 12. 10. 2000 je registriranih v Registru raka Slovenije 449 bolnikov, ki so se zdravili zaradi akutne levkemije in so bili ob diagnozi mlajši od 16 let. Med njimi je bila pri 16 bolnikih po zdravljenju levkemije ugotovlje- na druga novotvorba. Bolnike s sekundarno novotvorbo smo primerjali s skupino bolnikov z enako osnovno diagnozo, vsa- kemu primeru smo izbrali po dva kontrolna primera, ki sta se ujemala po starosti, spolu, letu diagnoze in trajanju opazova- nja po zaključenem zdravljenju. Zdravljenje je obsegalo kom- binirano citostatično zdravljenje in radioterapijo v skladu s pro- tokolom, aktualnim v obdobju zdravljenja. Ekstrakcija DNK DNK smo ekstrahirali iz arhivskih vzorcev razmazov kostnega mozga. Za ekstrakcijo smo uporabili QIAamp DNA-extraction minikit (Qiagen, Hilden, Germany) v skladu z navodili proizva- jalca za delo z arhivskimi razmazi kostnega mozga in modifika- cijami, kot so jih opisali Aplenc in sodelavci (13). Genotipizacija GST Za ugotavljanje delecije GSTM1 in GSTT1 smo uporabili multi- pleksno metodo reakcije z verižno polimerazo (PCR). Oba gena smo simultano pomnožili v enostopenjski PCR reakciji skupaj z genom za β -globin, ki je služil kot interna pozitivna kontrola, (14), ker pa je bila ekstrahirana DNK fragmentirana, smo kot oligonukleotidni začetnik uporabili krajše segmente genov GST. Sekvence oligonukleotidnih začetnikov so bile: GSTM1-F: 5’-GAG ATG AAG TCC TTCAGA-3’; GSTM1-R: 5’-GCT TCA CGT GTT ATG GAG GTT-3’; GSTT1-F: 5’-ATG TGA CCC TGC AGT TGC-3’: GSTT1-R: 5’-GAG ATG TGA G(C/G)A CCA GTA AGG AA-3’; BGLO-F: 5’-GAA GAG CCA AGG ACA GGT AC in BGLO-R: 5’-CAA CTT CAT CCA CGT TCA CC-3’. Velikost po- sameznih amplikonov je bila 130 bp (GSTM1), 70 bp (GSTT1) in 268 bp (BGLO). Ekson 5 je bil pomnožen iz genomske DNK kot so opisali Ali- Osman in sodelavci (15). Oligonukleotidna začetnika exona 5 sta bila: GSTP*B-2F: 5’-GGA CAT GGT GAA TGA CGG-3’ in GSTP- 2R: 5’-GGT CAG CCC AAG CCA CCT GAG-3’ (14). Restrikcija 164 bp dolgega amplikona z BsmAI je povzročila nastanek dveh fragmentov dolžine 126 in 38 bp ob prisotnosti 105Val alela. Genotipizacijo smo po naključnem izboru 10% vzorcev ponovili zaradi kontrole zanesljivosti genotipizacije. Statistična analiza Za statistično analizo smo uporabili Fischerjev test. Primerjali smo frekvenco pojavljanja GST genotipov pri bolnikih s sekun- darno novotvorbo in v kontrolni skupini. Izračunali smo raz- merje pričakovanj (RP) in njihov 95-odstotni interval zaupanja (IZ). P vrednosti smo računali dvosmerno. Genotipe GST in njihove kombinacije smo pri računanju obravnavali kot kate- gorične spremenljivke. Statistično analizo smo opravili s pro- gramskim paketom SPSS verzija 10.0 (SPSS Inc., Chicago, Il.) Rezultati Med bolniki s sekundarno neoplazmo in kontrolno skupino ni bilo statistično pomembne razlike v starosti, spolu, času opa- zovanja in starosti ob diagnozi. V obeh skupinah je delež deč- kov večji. Kot je prikazano v razpredelnici 1, je bila najpogostejša sekun- darna novotvorba tumor centralnega živčnega sistema (6 pri- merov), sledijo pa ne-Hodgkinov limfom v treh primerih, Hodg- kinov limfom in akutna mieloblastna levkemija v dveh prime- rih. V enem primeru je šlo za osteosarkom, fibrosarkom in bazocelularni karcinom. Analizo genotipov GSTM1, GSTT1 and GSTP1 kodon 105 smo uspe- šno opravili pri vseh 48 preiskovancih. Prevalence genotipov so: GSTM1 + 52%, GSTM1 null 48%, GSTT1 + 77%, GSTT1 null 23%, GSTP1 Ile 105 /Ile 105 42%, GSTP1 Ile 105 /Val 105 45%, GSTP1 Val 105 /Val 105 13%. V razpredelnici 2. je prikazana razporeditev genotipov GSTM1, GSTT1, GSTP1 codon 105 pri 16 preiskovancih (bolniki s sekundarno novotvorbo) in 32 kontrolnih bolnikih in njihova povezava s pojavom sekundarne novotvorbe po zdrav- ljenju akutne levkemije v otroštvu. Pri primerjavi bolnikov s sekundarnimi novotvorbami po zdravljenju akutne levkemije v otroštvu s kontrolno skupino nismo našli statistično značilnih razlik v distibuciji genotipov GST. I-21 Razpravljanje V naši populaciji bolnikov, zdravljenih zaradi akutne levkemije v otroštvu, je prevalenca genotipov GSTM1 in GSTT1 null 48% in 23%, kar je primerljivo s frekvenco, ugotovljeno v zdravi populaciji v Sloveniji, kjer je genotip GSTM1 null prisoten v 54%, genotip GSTT1 null pa v 24% (Vita Dolžan, osebna komu- nikacija). Podobne frekvence genotipa GSTM1 in GSTT1 null v belski rasi navajajo tudi druge študije (16, 17). Tudi frekvenca genotipa GSTP1 codon 105 je primerljiva s frekvencami v zdravi populaciji v Sloveniji, pri kateri je ugotovljeno razmerje geno- tipov: GSTP1 Ile 105 /Ile 105 49%, GSTP1 Ile 105 /Val 105 40%, GSTP1 Val 105 /Val 105 11%. Rezultati naše študije ne kažejo povezave med delecijo genov GSTM1 ali GSTT1 ali polimorfizmom GSTP1 na kodonu 105 in pojavom sekundarnih novotvorb po zdravljenju akutne levke- mije v otroštvu. Woo s sodelavci (18) pri 302 otrocih z akutno levkemijo, med katerimi jih je 57 razvilo levkemijo ali mielo- displastični sindrom, povezan z zdravljenjem pred tem, ni na- šel povezave med genotipoma GSTM1 ali GSTT1 null in z zdrav- ljenjem povzročenim malignomom. Crumpova s sodelavci po- roča o rahlo višji prevalenci delecije genov GSTM1 in GSTT1 med bolniki s sekundarno akutno mieloblast- no levkemijo (AML) v primerjavi z bolniki, ki prvič zbolijo za AML, ali zdravo kontrolno skupino (19). Ha- ase ugotavlja, da imajo bolnice z rakom dojke in dvoj- no null delecijo GSTM1 in GSTT1 zvečano tveganje za nastanek sekundarnih, z zdravljenjem induciranih no- votvorb (20). Med našimi bolniki sta le dva s sekundar- no AML in pri obeh ugotavljamo genotip GSTM1 null. Poleg sekundarnih hematoloških novotvorb so tumorji osrednjega živčevja med najpogostejšimi novotvorba- mi po zdravljenju otroške levkemije. Elexpuru-Cami- ruaga ugotavlja, da je genotip GSTT1 null dejavnik tve- ganja za astrocitom in meningiom, ki predstavljata po- gosto neoplazmo CNS po zdravljenju levkemije v otroštvu, še posebej po profilaktičnem obsevanju osrednjega živčevja. Sorazmerno majhno število bolnikov, vključenih v na- šo študijo, in histološka heterogenost sekundarnih no- votvorb, nam ne omogočata natančneje analizirati po- vezavo genotipov GST s pojavom posameznih skupin tumorjev. Čeprav nismo uspeli dokazati povezave med genotipom GST in pojavom sekundarnih novo- tvorb, je mogoče, da bodo nadaljnje raziskave na pod- ročju polimorfizma genov, udeleženih pri presnovi citostatikov, uspele opredeliti individualni profil tveganja za razvoj tako sekundarnih, z zdravljenjem povezanih novotvorb, kakor tudi za nastanek drugih neželenih učinkov zdravljenja. Literatura 1. Bhatia S, Buckley J, Robinson L. Second malignancies in child- hood cancer. CCG Quarterly 1997; 5: 8–23. 2. Inocenti F, Iyer L, Ratain MJ. Pharmacogenetics. A tool for indivi- dualizing antineoplastic therapy. Clin Pharmacokinet 2000; 39: 315–25. 3. Morel F, Rauch C, Coles B, Le Ferrec E, Guillouzo A. The human glutathione transferase alpha locus: genomic organization of the gene cluster and functional characterization of the genetic poly- morphism in the hGSTA1 promoter. Pharmacogenetics 2002; 12: 277–86. 4. Rebbeck TR. Molecular epidemiology of the human glutathione S- transferase GSTM1 and GSTT1 in cancer susceptibility. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev 1997; 6: 733–43. 5. Elexpuru-Camiruaga J, Buxton M, Kandula V et al. Susceptibility to astrocitoma and meningioma: influence of allelism at glutathione S-transferase (GSTM1 and GSTT1) and cytochrome P-450 (CYP2D6) loci. Cancer research 1995; 55: 4237–9. 6. Hengstler JG, Arand M, Herrero ME, Oesch F. Polymorphism of N- acetyltransferase, glutathion S-transferase, microsomal epoxide hydrolase and sulfotransferases: influence on cancer susceptibi- lity. Recent Results Cancer Research 1998; 154: 47–85. 7. Rebbeck TR. Mollecular epidemiology of the human glutathione S-transfera- se genotypes GSTM1 and GSTT1 in cancer susceptibility. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev 1997; 6: 733–43. 8. Strange RC, Lear JT, Fryer AA. Polymorphism in glutathione S-transferase loci as a risk factor for common cancers. Arch Toxicol 1998; 72: Suppl: 419–28. 9. Allan JM, Wild CP, Rollinson S, Wilett EV, Moorman AV, Dovey GJ, Roddam PL, Roman E, Cartwright RA, Morgan GJ. Polymorphism in glutathion S-transfera- se P1 is associated with succeptibility to chemotherapy induced leukemia. PNAS 2001; 98: 11592–7. 10. Rosario LA, O’Brien ML, Henderson CJ, Wolf CR, Tew KD. Cellular response to a glutathione S-transferase P1 activated prodrug. Molecular Pharmaco- logy 2000; 58: 167–74. 11. Ishimoto TI, Ali-Osman F. Allelic variants of the human glutathione S-transfe- rase P1 gene confer differential cytoprotection against anticancer agents in Escherichia coli. Pharmacogenetics 2002; 12: 543–53. 12. Standulla M, Schrape M, Mueller-Brechlin A, Zimmermann M, Welte K. Poly- morphism within glutathione S-transferase genes (GSTM1, GSTT1, GSTP1) and risk of relapse in childhood B-cell precursor acute lymphoblastic leuka- emia: a case-control study. Blood 2000; 95: 1222–8. 13. Aplenc R, Orudjev E, Swoyer J, Manke B, Rebbeck T. Differential bone marrow aspirate DNA yields from commercial extraction kits. Leukemia 2002; 16: 1865–6. 14. Chen CL, Liu Q, Relling ML. Simultaneous characterization of glutathione S- transferase M1 and T1 polymorphism by polymerase chain reaction in American whites and blacks. Pharmacogenetics 1996, 6: 187–91. Razpr. 1. Značilnost 16 bolnikov s sekundarnimi novotvorbami po zdravljenju akutne levkemije v otroštvu z rezultati genotipizacije GST. Table 1. Characteristics and results of GST genotypisation of 16 pa- tients with secundary neoplasms after treatment of acute leukemia in childhood. Starost ob Čas do DrugaBolnik diagnozi druge novotvorba GSTM1 GSTT1levkemije novotvorbe (– = null (– = null Age at the Time to Secondary genotip) genotip) GSTP1 Patient No diagnosis of secondary neoplasmleukemia neoplasm 1 12,9 7,1 AML – + Ile/Ile 2 8,5 20,4 meningioma – + Ile/Ile 3 3,5 9,3 glioblastoma + + Val/Val 4 5,5 8,5 osteosarcoma + + Ile/Ile 5 3,5 9,8 NHL + – Ile/Ile 6 6,3 10,0 NHL – + Val/Val 7 5,2 8,7 fibrosarcoma – + Val/Val 8 4,8 3,7 HD + + Val/Val 9 4,2 9,4 meningioma + – Ile/Ile 10 16 8,6 NHL + + Ile/Val 11 6,3 7,6 glioblastoma – + Val/Val 12 16,1 2,3 AML – + Ile/Val 13 2,5 12,0 bazocelularni ca. + + Ile/Ile 14 7,0 1,7 HD + – Val/Val 15 1,5 16,6 astrocitoma + + Ile/Ile 16 3,5 12,7 oligodendroglioma – + Ile/Ile GSTM – glutation S transferaze, Val – valin, Ile – izolevcin, AML – akutna mieloblastna levke- mija / acute lymphoblastic leukemia, NHL – Ne-Hodgkinov limfom / Non Hodgkin’s lympho- ma, HD – Hodgkinov limfom / Hodgkin’s disease Razpr. 2. Razporeditev genotipov GSTM1, GSTT1, GSTP1 (kodon 105) in njihova povezava s pojavom sekundarnih novotvorb pri 16 bolni- kih in 32 kontrolah. Table 2. Distribution of GSTM1, GSTT1, GSTP1 (codon 105) geno- types and their corelation to second neoplasm occurrence in 16 patients and 32 controls. Primeri Kontrole Razmerje P pričakovanja 95% IZ Cases Controls Odds 95% CI (16) (N = 32) ratio GSTM1 + 9 (56%) 16 (50%) 0,768 1,28 0,38–4,29 Null 7 (44%) 16 (50%) (0,942) (0,75) (0,14–3,9) GSTT1 + 13 (81%) 24 (75%) 0,729 1,44 0,32–6,40 Null 3 (19%) 8 (25%) (0,781) (0,83) (0,13–5,16) GSTP1 codon 105 Ile/Ile 8 (50%) 12 (37%) 0,537 1,66 0,49–5,6 0 Ile/Val or Val/Val 8 (50%) 20 (63%) (0,991) (0,66) (0,11–3,98) JAZBEC J, DOVŽAN V, DEBELJAK M ET AL. VPLIV POLIMORFIZMA GLUTATIONSKIH S TRANSFERAZ NA POJAV SEKUNDARNIH NOVOTVORB I-22 ZDRAV VESTN 2004; 73: SUPPL I 15. Ali-Osman F, Akande O, Antoun G, Mao JX, Buolamwin J. Molecular cloning, characterization and expression in Escherichia coli of full length cDNAs of three human glutathione S-transferase Pi gene variants. J Biol Chem 1997, 272: 10004–12. 16. Chen CL, Liu Q, Pui CH, Rivera GK, Sandlund JT, Riberiro R, Evans WE, Relling MV. Higher frequency of glutathione S-transferase deletions in black chil- dren with acute lymphoblastic leukemia. Blood 1997; 89: 1701–7. 17. Nelson HH, Wiencke JK,, Christiani DC, Cheng TJ, Zuo ZF, Schwartz BS, Lee BK, Spitz MR, Wang M, Xu X. Ethnic differences in the prevalence of the homozygous deleted genotype of glutathione S-transferase theta. Carcino- genesis 1995; 16: 1243–5. 18. Woo MH, Shuster JJ, Chen C, Bash RO, Behm FG, Camitta B, Felix CA, Kamen BA, Pui CH, Raimondi SC, Winick NJ, Amylon MD, Relling MV. Glutathione S- transferase genotypes in children who develop treatment-related acute myeloid leukemia. Leukemia 2000; 14: 232–7. 19. Crump C, Chen C, Appelbaum FR et al. Glutathione S-transferase Theta 1 gene deletion and risk of acute myeloid leukemia. Cancer Epidemiology, Biomar- kers & Prevention 2000; 9: 457–60. 20. Haase D, Binder C, Bunger J et al. Increased risk for therapy-induced hema- tologic malignancies in patients with carcinoma of the breast and combi- ned homozygous gene deletions of glutathione transferases M1 and T1.Le- ukemia Research 2002; 26: 249–54.