Universität zu Köln

Bebber, Christina M. (2021). Characterisation of ferroptosis response in small cell lung cancer neuroendocrine subtypes. PhD thesis, Universität zu Köln.

PDF PhD thesis_Christina Bebber_final_signed.pdf - Published Version Download (130MB)

Abstract

Small cell lung cancer (SCLC) treatment has remained a major clinical challenge with very few newly approved treatment strategies in the last 30 years. After initial chemotherapy response SCLC almost invariably relapses presenting with intratumoural neuroendocrine (NE) subtype heterogeneity as a result of different cells-of-origin and subtype plasticity. SCLC is defined by loss of function mutations in tumour suppressor genes TP53 and RB1 as well as a significant tumour mutational burden (TMB), suggesting selective pressure to inactivate cell death pathways prior to therapy. However, a comprehensive analysis of cell death pathway availability in SCLC has not been pursued yet. In this study, through systematic characterisation of regulated cell death pathway availability in RNA-sequencing data of human treatment-naïve SCLC patient tissue, we find broad inactivation of the extrinsic apoptosis and necroptosis pathway components and high expression of genes preventing from ferroptosis. Ferroptosis is a recently described form of regulated cell death induced by iron-dependent accumulation of fatal lipid-peroxides resulting in destabilisation of the lipid bilayer and membrane rupture. In this study, we identified that non-NE mouse and human SCLC cells marked by low Achaete-Scute Homolog 1 (ASCL1) expression are uniquely primed for ferroptosis, while NE SCLC cells instead are highly vulnerable to thioredoxin (TRX) pathway inhibition. Non-NE SCLC presents with an elevated oxygenated lipidome and is selectively vulnerable to genetic or pharmacological induction of ferroptosis. We identified NE-differentiation marked by the NE lineage-defining transcription factor ASCL1 expression to determine ferroptosis resistance. ASCL1 suppresses glutathione synthesis in the NE SCLC subtype which acquires addiction to the thioredoxin (TRX) anti-oxidant pathway. Co-cultures replicating non-NE/NE intratumoural heterogeneity selectively deplete non-NE populations upon ferroptosis induction, while only TRX pathway inhibition eliminates NE cell populations. Importantly, single redox-pathway targeting induces NE/non-NE plasticity enabling treatment escape in SCLC. Hence, combined ferroptosis induction and inhibition of the TRX pathway kills established non-NE and NE tumours in xenografts, genetically engineered mouse models of SCLC and patient-derived treatment-naïve and refractory NE SCLC models. In SCLC but not lung adenocarcinoma, combined low expression of GPX4 and TRX reductase 1 (TXNRD1) identified a patient subset with significantly improved overall survival. Taken together, these findings reveal that informed cell death pathway mining in treatment-naïve SCLC can identify rational combination therapies which address SCLC NE/non-NE heterogeneity and plasticity under treatment.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Behandlung des kleinzelligen Bronchialkarzinoms (SCLC) blieb in den letzten 30 Jahren eine große klinische Herausforderung mit nur wenigen neuen Behandlungsstrategien. Nach anfänglich erfolgreicher Chemotherapie kommt es fast immer zu Rückfällen des SCLC mit intratumoraler neuroendokriner (NE) Subtyp-Heterogenität als Ergebnis unterschiedlicher Herkunftszellen und Subtyp-Plastizität. SCLC wird durch den Verlust der Tumorsuppressor-Gene TP53 und RB1 sowie durch eine hohe Tumormutationslast (TML) definiert, was auf einen selektiven Druck zur Inaktivierung von Zelltod-Signalwegen vor der Therapie hindeutet. Eine umfassende Analyse der Verfügbarkeit von Zelltod- Signalwegen bei SCLC wurde jedoch bisher noch nicht durchgeführt. In dieser Studie zeigen wir durch systematische Charakterisierung der Verfügbarkeit von regulierten Zelltod- Signalwegen in RNA-Sequenzierungsdaten humaner, therapienaiver SCLC-Patientengewebe eine Inaktivierung von extrinsischen Apoptose- und Nekroptose-Signalweg- Komponenten und eine hohe Expression von Ferroptose-protektiven Genen. Ferroptose ist eine kürzlich beschriebene Form des regulierten Zelltods, die durch eine eisenabhängige Akkumulation von tödlichen Lipidperoxiden induziert wird, was zu einer Destabilisierung und somit zu Schäden der Lipiddoppelschicht führt. In dieser Studie haben wir festgestellt, dass non-NE-SCLC-Zellen der Maus und des Menschen, die durch eine niedrige Achaete-Scute Homolog 1 (ASCL1)-Expression gekennzeichnet sind, besonders empfindlich für Ferroptose sind, während NE-SCLC-Zellen hingegen sehr anfällig für die Hemmung des Thioredoxin (TRX)-Signalwegs sind. Non-NE-SCLC sind durch eine Erhöhung des oxidiertes Lipidomspiegels sehr anfällig für eine genetische oder pharmakologische Induktion von Ferroptose. Wir zeigen, dass Ferroptose-Resistenz in SCLC durch NE-Differenzierung und Expression des NE-Linien-definierenden Transkriptionsfaktors ASCL1 gekennzeichnet ist. ASCL1 unterdrückt die Glutathion-Synthese im NE-SCLC-Subtyp, der eine Abhängigkeit vom Thioredoxin (TRX)-Antioxidans-Weg erwirbt. In Co-Kulturen, die intratumorale non-NE/NE-Heterogenität replizieren, tötet Ferroptose- Induktion die non-NE-Populationen, während die NE-Zellpopulationen durch Hemmung des TRX-Wegs eliminiert wird. Wenn nur einer der beiden Redox-Signalwege inhibiert wird, besteht die Möglichkeit, dass durch NE/non-NE-Plastizität SCLC Zellen der Behandlung entgehen. Nur durch kombinierte Ferroptose-Induktion und Hemmung des TRX-Signalwegs werden etablierte non-NE- und NE-Tumore in SCLC-Xenotransplantaten und Mausmodellen erfolgreich behandelt. Zusammengefasst zeigen diese Ergebnisse, dass durch gezielte Kombinationstherapien die NE/non-NE-Heterogenität und Plastizität des SCLC behandelt werden kann. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Bebber, Christina M. ina_bebber@web.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-642065
Date:	2021
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	CECAD - Cluster of Excellence Cellular Stress Responses in Aging-Associated Diseases
Subjects:	Natural sciences and mathematics Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Lung Cancer UNSPECIFIED Ferroptosis UNSPECIFIED SCLC UNSPECIFIED
Date of oral exam:	14 December 2021
Referee:	Name Academic Title von Karstedt, Silvia Prof. Dr. Schwarz, Günter Prof. Dr. García-Sáez, Ana Prof. Dr. Conrad, Marcus Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/64206