Titelaufnahme

Titel
Integrative logic of combination therapy and drug resistances in cancer / submitted by Georg Winter
Verfasser / VerfasserinWinter, Georg
Begutachter / BegutachterinGiulio Superti-Furga
Erschienen2013
Umfang106 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Med. Univ., Diss., 2013
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Chemische Biologie / Proteomik / Wirkmechanismus / Krebs
Schlagwörter (EN)chemical biology / proteomics / mechanism of action / cancer
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-3294 Persistent Identifier (URN)
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Integrative logic of combination therapy and drug resistances in cancer [8.12 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Chemische Biologie, der Wissenschaftszweig der traditionell an der Schnittfläche von Chemie und Biologie angesiedelt wird, kann einen Beitrag zum verbesserten Verständnis von krebsrelevanten Vorgängen liefern. Verschiedene Ansätze der Chemischen Biologie werden angewendet um bisher unbekannte therapeutische Angriffspunkte in diversen Krebsarten zu identifizieren oder um die molekulare Wirkungsweise von erfolgreich verabreichten Therapeutika besser zu verstehen. Zu den wichtigsten Subkategorien der Chemischen Biologie gehören die Chemische Genetik und die Chemische Proteomik die, in integrative Form, das Grundgerüst meiner Arbeit bilden. Wir testeten hunderte Kinase-blocker in verschiedenen zellulären Modellsystemen des Ewings Sarkoms (ES), eines pädiatrischen Knochentumors. Das charakteristische molekulare Erkennungsmerkmal dieser Krebsart ist die Expression des natürlicherweise nicht vorkommenden onkogenen Fusionstranskriptionsfaktors EWS-FLI1. Es wurde gezeigt, dass der unspezifische Kinasen-blocker tozasertib hocheffektiv und hochselektiv das Wachstum von Ewings Sarkom- im Vergleich zu anderen pädiatrischen Krebsmodellen hemmt. Mittels einer chemisch-proteomischen Studie wurden alle Proteinkinasen identifiziert, die durch tozasertib in ES Zellen inhibiert werden. Daraus wurde via RNA-Interferenz abgeleitet, dass die parallele Hemmung der beiden Aurora Kinasen A und B kooperativ die Viabilität von ES Zellmodellen beeinträchtigt. Schlussendlich wurde im Tierversuch gezeigt, dass tozasertib auch das Wachstum von ES Xenograft Modellen blockiert. Im zweiten Kapitel meiner Arbeit führten wir fokussierte Kombinationsexperimente durch, um neue Behandlungsstrategien gegen eine therapieresistenten Form der Chronisch Myeloischen Leukämie (CML) zu finden. Es konnte gezeigt werden, dass die beiden Kinase-blocker danusertib und bosutinib stark synergistisch das Wachstum dieses therapieresistenten CML Modells hemmen. Dieser Effekt wurde weiters auch in primären Maus- und Patientenzellen gezeigt. Um ein molekulares Verständnis für diese Synergie zu entwickeln, wurde auf einen systembiologischen Ansatz zurückgegriffen. Dahingehend wurden Ansätze der Chemischen Proteomik, der Phosphoproteomik und der Transkriptomik integrativ mit einander vernetzt. Dadurch konnte gezeigt werden, dass die Medikamentenkombination einen systemweiten negativen Effekt auf das vom Transkriptionsfaktor Myc kontrollierte Genexpressionsmuster hat. Interessanterweise basiert dieser Effekt auf vorher nicht bekannten Nebenwirkungen ("Off Target" Effekten) von danusertib und bosutinib. In diesem ganzheitlichen Ansatz wurden erstmals drei orthogonale systembiologische Ansätze mit einander kombiniert um ein komplexes Verständnis für eine vielversprechende Medikamentenkombination zu entwickeln. Das letzte Projekt, das Teil meiner Arbeit ist, basiert auf einer kürzlich veröffentlichten genetischen Technologie, welche auf einer annähernd haploiden CML Zelllinie namens KBM7 basiert. Durch retroviraler Insertionsmutagenese kann so in einem Pool an KBM7 Zellen jedes Gen deletiert werden. Mithilfe dieses Ansatzes konnte ein neuer Resistenzmechanismus gegen das klinische Krebstherapeutikum YM155 gefunden werden. Es wurde gezeigt, dass eine Deletion des "Solute Carrier" Gens SLC35F2 in KBM7 Zellen aber auch in Lungenkrebszellen eine Resistenz gegenüber YM155 hervorruft. Weiters wurde gezeigt, dass auch in nicht retroviral transduzierten Zellen die verminderte Expression von SLC35F2 den hauptsächlichen Resistenzmechanismus gegen YM155 darstellt und dass die Deletion von SLC35F2 einer intrazellulären Akkumulation von YM155 entgegenwirkt.

Zusammenfassung (Englisch)

Chemical biology is commonly referred to as the science at the interface of chemistry and biology and can participate in improving the understanding of aberrations driving cancer. Different approaches in chemical biology are applied in order to uncover unknown vulnerabilities in cancer subtypes or to understand the molecular mode of action of small molecule agents that are already used successfully in the clinics. Moreover, chemical biology has also been applied in order to dissect mechanisms of resistance to anti-cancer agents and to identify drug combinations that might prevent spontaneous acquisition of resistances. Chemical genetics as well as chemical proteomics are among the most prominent subclasses of chemical biology and are, in an integrated form, the unifying topic of my thesis. We screened several hundred small molecule kinase inhibitors in cell line models of Ewings sarcoma (ES), a pediatric cancer of the bone that is molecularly characterized by the expression of the oncogenic transcription factor fusion EWS-FLI1. We found that tozasertib, a promiscuous kinase inhibitor, displayed a remarkably high efficacy in killing ES cell line models and also featured selectivity for ES over other pediatric sarcomas. We pursued a chemical proteomics-centered target-deconvolution approach in order to identify protein targets of tozasertib relevant for the observed phenotype. We found that parallel inhibition of both aurora kinases A and B impairs the viability of ES cell lines in a cooperative manner which we could validate via RNAi. We finally also proved efficacy of tozasertib in an in-vivo xenograft model. In a second chapter of my thesis, we employed a focused drug combination screen in a CML model that featured resistance to the front-line treatment imatinib via a point-mutation in BCR-ABL, the oncogenic fusion kinase that hallmarks CML pathogenesis. We identified an exquisite synergy of the two small molecule kinase inhibitors danusertib and bosutinib in killing this imatinib-resistant cell line. We could show that the synergistic drug interaction was also preserved in primary mouse cells as well as in primary human patient cells. We uncovered the molecular logic underlying this strong synergy by a multi-level approach consisting of chemical proteomics, phosphoproteomics and transcriptomics. We intersected the target-profiles derived by chemical proteomics with alterations in the signaling networks after transient drug-exposure measured by phosphoproteomics and the resulting downstream change in the transcriptome assessed by microarray analysis. By doing so, we could identify a global downregulation of the gene-expression program maintained by the transcription factor c-Myc as point of convergence of the observed synergy. Importantly, both kinase inhibitors participate in the observed synergy via off-target effects that were non-obvious. The last chapter of my thesis is based on a recently developed genetic screening methodology dependent on a near-haploid CML cell line called KBM7. Via an insertional mutagenesis approach using a genetrap-virus, we could identify a novel resistance mechanism to the clinical survivin inhibitor YM155. We found that deletion of the solute carrier SLC35F2 renders KBM7, but also lung cancer cells, insensitive to otherwise toxic YM155 concentrations. We could show that downregulation of SLC35F2 is the major resistance mechanism to YM155 treatment in a genetrap-independent wildtype situation and that deletion of SLC35F2 prevents YM155 to enter the cells. Thus, using chemical genetics, we identified an unknown dependency of an anti-cancer compound on an entry route via a yet uncharacterized solute carrier.