Titelaufnahme

Titel
Integrative genomic and proteomic approaches for identification of therapeutic vulnerabilities in human melanoma / submitted by Bhavuk Garg, M.Sc.
Weitere Titel
Integrative genomic and proteomic approaches for identification of therapeutic vulnerabilities in human melanoma
VerfasserGarg, Bhavuk
Begutachter / BegutachterinWagner, Stephan N.
ErschienenWien, 2016
Umfang95 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftMedizinische Universität Wien, Univ., Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)SSR2 / TRAPβ / ER Stress / UPR / MITF / AURKA / aurora kinase A / MAPK / Melanom
Schlagwörter (EN)SSR2 / TRAPβ / ER Stress / UPR / MITF / AURKA / aurora kinase A / MAPK / Melanoma
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-7700 Persistent Identifier (URN)
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Integrative genomic and proteomic approaches for identification of therapeutic vulnerabilities in human melanoma [4.95 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die Lebenserwartung von Melanompatienten hat sich durch große Fortschritte im Bereich der Therapiermöglichkeiten, unter anderem durch den enormen Fortschritt bioinformatischer Ansätze, stark erhöht. Obwohl es zahlreiche Durchbrüche auf dem Gebiet der Krebstherapie gab, sind das Nicht-Ansprechen auf und die Resistenz gegen eine Behandlung immer noch problematisch in der Melanomtherapie. Um diese Punkte zu adressieren, haben wir eine Methode entwickelt, die sowohl die in silico Analyse von Daten als auch in vitro Experimente umfasst. Bis jetzt generierten wir für eine genomische Analyse das Tool INtegrated DEtection of Genomic Outliers (INDEGO) und für eine Substanzsffinitäts-basierte proteomische Analyse das Programm Drug-EFfected Integrative Identification of Target(s)(DEFINIT). Das Melanom stellt eine sehr heterogene Tumorspezies dar, deshalb haben wir versucht Gene, die ein Ausreißer-Expressionsprofil in einer kleinen Untergruppe von Melanomen zeigen, zu identifizieren. Mit Hilfe von INDEGO wurden solche Gene, die zusätzlich eine starke negative prognostische Korrelation zeigen, bestimmt. In dieser Arbeit zeigen wir, dass Signal Sequence Receptor 2 (SSR2) in einer kleinen Untergruppe von Melanomen positiv mit der Überlebensdauer von Patienten korreliert. SSR2, ein Teil des Signal Sequence Receptor Komplexes, spielt eine große Rolle im effizienten Schleusen von Proteinen mit einer schwachen Signalsequenz. Diese Funktion ist besonders wichtig in Melanomen mit einer hohe Rate an Peptidsequenz-verändernder genetischen Veränderungen Dadurch wird die Proteintranslokation beeinträchtigt, was zu Stress im Endoplasmatischen Retikulum (ER) führt. Und tatsächlich konnten wir zeigen, dass SSR2 eine protektive Rolle gegen die ER Stress Antwort hat, was weiters durch eine Hochregulation von SSR2 in BRAF Inhibitor resistenten Melanomzellen bestätigt wurde. Wir fanden eine Veränderung des sogenannten Unfolded Protein Response (UPR) Signalweges, im Besonderen von dessen XBP1-IRE1 Arm, der für die SSR2 Regulierung verantwortlich ist. Die Rolle des Onkogens MITF im Melanom wird seit Jahren stark erforscht. Vor allem die expressionslevel-abhängigen, sehr unterschiedlichen Rollen in der Zellbiologie des Melanoms, und seine Neigung zur Erzeugung von Resistenzen gegen Therapien, machen es zu einem interessanten Ziel im Prozess der Melanombehandlung. Doch da die Proteinoberfläche keine Angriffspunkte für Inhibitoren hat, ist eine direkte therapeutische Intervention zur Zeit ausgeschlossen. Um diese Bedenken zu dressieren, wollen wir direkt auf die durch MITF ausgelöste Resistenz und den Tumorphänotyp abzielen, anstatt auf die MITF Levels selbst. Wir verwenden ein System isogener Zelllinien, die MITF normal- oder überexprimieren. Unsere DEFINIT x Analyse und funktionelle Analysen haben offenbart, dass Aurora Kinase A (AURKA) ein mögliches Kinase-Ziel sein könnte, um einen MITF-abhängigen Tumorphänotypen zu bekämpfen. Interessanterweise führte die Inhibierung von AURKA durch seinen Inhibitor MLN8237 zu einer Aktivierung und Hochregulation des MEK-ERK Signalwegesunabhängig vom genetischen Hintergrund der Zellen. Durch die AURKA-Inhibierung wird ein Resistenzprogramm gestartet, das zur Erhöhung pro-proliferativer Molekülewie auch anti-apoptotischer Moleküle führt. Eine Kombination aus AURKA und MAPK Signalweg Inhibierung wirkt diesem Phänomen entgegen und wirkt wachstumhemmend. Diese Resultate könnten wichtig für den Erfolg des AURKA Inhibitors MLN8237, der sich gerade in Phase II klinischer Versuche für Melanome befindet, sein. Zusammenfassend haben wir in einer kleinen Gruppe von Melanomen ein ‚Ausreißergen‘ gefunden und beschrieben, das eine wichtige Rolle im Melanomzellwachstum spielen könnte. Zusätzlich haben wir das in der Melanombiologie sehr gut beschriebene Gen MITF adressiert und eine stichfeste mechanistische Erklärung für therapeutische Kombinationsstrategien abgegeben.

Zusammenfassung (Englisch)

Advancement in melanoma therapeutics assisted by the progress in genomics and proteomics approaches has led to increased survival in melanoma patients. In spite of many breakthroughs, major problem of unresponsiveness to therapy and resistance to therapy persists in melanoma. To address these concerns we worked upon a framework of systematic algorithms consisting of both in silico analysis as well as in vitro experiments. To this end we developed INtegrated DEtetion of Genomic Outliers (INDEGO) for genomic analysis and Drug-EFfected INtegrative Identification of Target(s) (DEFINIT) for drug affinity based proteomic analysis. In lieu of highly heterogeneous nature of melanoma and the inability of conventional frequentist based computational approaches to cover all melanoma patients; we sought to identify the genes with an outlier expression profile in a small subset of melanoma patients. Using INDEGO we identified such genes, which were additionally backed by a strong negative prognostic correlation. In this study we show a prosurvival role of Signal Sequence Receptor 2 (SSR2) in a small subset of melanomas and a high SSR2 expression association with a poor prognosis. SSR2 as a part of the Signal Sequence Receptor (SSR) complex plays a crucial role in efficient gating of the proteins with a poor signal sequence. This is particularly important in melanomas having high rate of genomic alterations and mutations which might affect peptide signal sequences as well. Together this effects the protein translocation and causes ER stress. In conformity to above reasoning SSR2 indeed seems to play a protective role against ER stress response which is further endorsed by upregulation of SSR2 in BRAF inhibitor resistant melanoma cells. Using complementary gain and loss of function analysis we observe an Unfolded Protein Response (UPR) pathway as the one responsible for SSR2 regulation. In this case, UPR acts via transcription factor XBP1s emanating from its IRE1 branch. MITF, a lineage specific oncogene in melanoma, has been at the center of research for its role in melanoma. Confounded by its differential roles in melanoma cell biology depending on its levels and its propensity towards resistance against therapy via multiple mechanisms, makes it an enviable target in the process of melanoma treatment. Additional layer of complexity is added by a lack of target site for its inhibition thus keeping it out of the purview of therapeutic intervention. To address these concerns, instead to countering MITF levels we targeted MITF conferred resistance and tumorigenic phenotype. Using a system of isogenic cell lines with or without MITF overexpression we demonstrate a general resistance phenomenon against different inhibitors affecting multiple pathways. Secondly, our approach DEFINIT involving drug affinity based chemical proteomics upon on functional analysis for anchorage independent growth revealed Aurora Kinase A (AURKA) as a possible kinase target to overcome MITF dependent tumorigenic phenotype.

Interestingly, AURKA inhibition by its inhibitor MLN8237 led to MEK-ERK pathway activation as well upregulation in all the tested melanoma cell lines irrespective of their genetic background. This initiated a resistance program involving a pro-proliferation signature. A combination of AURKA and MAPK pathway inhibition counteracted this phenomenon and also led to a heightened response. These results could be of great importance for the success of AURKA inhibitor, MLN8237 which is currently undergoing phase 2 clinical trials for melanoma.

Taken together we identified and characterized a small subset associated outlier gene which could play an important role in melanoma cell progression and development of resistance to therapeutics. Additionally, we targeted a previously well characterized gene, MITF, in melanoma biology and forwarded a profound mechanistic rationale for a therapeutic combination strategy.