Universität zu Köln

Dammert, Marcel Andre (2021). Characterization and therapeutic exploitation of molecular vulnerabilities in genetically defined lung cancer. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Lung cancer is one of the most common cancer types and responsible for the largest number of cancer-related deaths worldwide. Typically, lung cancer arises in individuals with heavy smoking background and only rarely in never-smokers. Various cells of origin within the lung give rise to distinct, molecularly heterogenous lung cancer subtypes with the two major subtypes non-small cell lung cancer (NSCLC) and small cell lung cancer (SCLC). Targeted therapy options also vary significantly between the specific subtypes and while oncogene-driven lung adenocarcinoma (LUAD) is already successfully treated with targeted drugs, no targeted therapies are available in SCLC. LUAD is often driven genetic alterations such as point mutations and rearrangements in genes of receptor tyrosine kinases (RTKs) like EGFR leading to aberrant activation of receptor tyrosine kinase signaling and oncogenic transformation. Mutation-selective small molecule RTK inhibitors have been developed to specifically kill oncogene-addicted cancer cells. Introduction of third generation EGFR inhibitor osimertinib substantially increased survival of EGFR-mutant LUAD patients but on-target resistance mutations such as EGFR G724S limit osimertinib efficacy leading to tumor relapse. Remarkably, we observed that second-generation EGFR inhibitor afatinib displayed selective activity against EGFR G724S in cell line and animal models. In contrast to osimertinib, afatinib still binds to EGFR G724S and reduces cellular viability, EGFR signaling, transformation and in vivo growth of EGFR G724S cells, therefore providing a possible treatment strategy for patients that relapse after osimertinib treatment due to EGFR G724S. Oncogenic gene fusions involving RET also lead to cellular transformation and LUAD tumorigenesis. Previously, multi-kinase inhibitors were used to treat RET-rearranged cancers with limited success due to lack of RET-specificity and RET gatekeeper mutations impeding inhibitor binding. We identified AD80, a type II kinase inhibitor that binds RET in the DFG-out conformation. AD80 displayed selective activity against common RET fusions KIFB-RET and CCDC6-RET and retained activity against RET V804M gatekeeper mutation. AD80 efficiently reduced RET- and downstream signaling as well as RET-associated gene expression. AD80 also displayed in vivo efficacy in CCDC6-RET patient-derived xenograft (PDX) models, demonstrating the potential of type II inhibitors as targeted therapy against RET-rearranged LUAD. In contrast to NSCLC, SCLC is defined by inactivation of tumor suppressors TP53 and RB1 and lacks targetable oncogenic drivers. Frequent activation of MYC transcription factor family members (MYC, MYCL, and MYCN) further accelerate tumor growth and aggressiveness. We found that activation of individual MYC family members entails differential molecular vulnerabilities. MYC overexpression is associated with high levels of DNA damage, repression of BCL2 expression and high apoptotic priming, leading to higher sensitivity towards Aurora kinase and MCL1 inhibition whereas high MYCL/MYCN expression is associated with resistance against these perturbations. Our study highlights that MYC status can be predictive for therapy response and might be used for molecularly-guided, patient stratification for future targeted therapy regimens in SCLC. A rare but very aggressive lung cancer type, NUT carcinoma is driven by BRD4-NUT fusion protein leading to large-scale epigenetic reprogramming and deregulated transcription of genes driving tumorigenesis. Using high-throughput viability screening, we identified that NUT carcinoma cells are preferentially sensitive against CDK9 inhibition. We observed, that CDK9 inhibition increases RNA Polymerase II pausing possibly reverting BRD4-NUT-mediated, transcriptional activation of pro-tumor genes warranting further investigation of CDK9 inhibition in NUT carcinoma.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Lungenkrebs ist einer der häufigsten Krebsarten und verzeichnet pro Jahr die weltweit meisten Krebs-assoziierten Todesfälle. Lungenkrebs tritt typischerweise als Folge von langjährigem Rauchen auf und nur sehr selten in Nichtrauchern. Die verschiedenen, molekular unterschiedlichen Subtypen von Lungenkrebs entstehen aus bestimmten Vorläuferzellen in der Lunge und man unterscheidet hauptsächlich zwischen dem nichtkleinzelligen Bronchialkarzinom (non-small cell lung cancer, NSCLC) und dem kleinzelligen Bronchialkarzinom (small cell lung cancer, SCLC). Aufgrund der großen Heterogenität dieser Subtypen ergibt sich die unterschiedliche Anwendbarkeit zielgerichteter Tumortherapie, welche bisher nur in Patienten mit Adenokarzinom (lung adenocarcinoma, LUAD) erfolgreich eingesetzt werden kann. LUAD wird häufig durch aktivierende Punktmutationen oder genomische Rearrangements in Rezeptor-Tyrosinkinase (RTK) Genen wie z.B. EGFR verursacht. Dies führt zu deregulierter Aktivierung des RTK Signalwegs und onkogener Transformation. Selektive, kleinmolekulare Inhibitoren wurden entwickelt um zielgerichtet solche Onkogen-aktivierte Krebszellen zu töten. Die Einführung des Drittgenerations EGFR Inhibitors Osimertinib hat das Überleben von Patienten mit EGFR-mutierten Adenokarzinom wesentlich verlängert, jedoch entwickeln manche Patienten Osimertinib-resistente Mutationen in EGFR wie z.B. EGFR G724S, welche zur Tumorprogression führen. Wir haben herausgefunden, dass, im Gegensatz zu Osimertinib, der Zweitgenerations EGFR Inhibitor Afatinib an EGFR G724S binden kann und spezifisch den EGFR Signalweg inhibiert und somit das Wachstum und Überleben von EGFR G724S-mutierten Zellen reduziert. Somit wäre der Einsatz von Afatinib eine mögliche Therapieoption für Patienten mit EGFR G724S Mutation. Onkogene Genfusionen in RET fungieren ebenfalls als starke, transformierende Treiber im Adenokarzinom. Zunächst wurden RET-rearrangierte Tumore mit Multi-Kinaseinhibitoren behandelt, welche aber aufgrund von fehlender Spezifität gegenüber RET und aufkommenden RET Resistenzmutationen nur begrenzt wirksam sind. Wir haben beobachtet, dass der type II Kinaseinhibitor AD80 an RET in der DFG-out Konformation bindet und RET inhibiert. Dies führt zu verminderter Aktivität des RET Signalwegs in Zellen mit KIF5B-RET und CCDC6-RET Fusionen und zudem in Zellen mit RET V804M Gatekeeper Mutation. Weiterhin verringert AD80 das Wachstum von CCDC6-RET Tumoren in Xenograft Modellen, was das Potenzial von type II Kinaseinhibitoren als mögliche, zielgerichtete Therapie von RET-aktivierten Adenokarzinomen unterstreicht. Im Gegensatz zu NSCLC ist SCLC durch die Inaktivierung der Tumorsuppressorgene TP53 und RB1 gekennzeichnet und es existieren keine therapeutisch adressierbaren, onkogene Treibermutationen. In SCLC sind häufig die verschiedenen Mitglieder der MYC Transkriptionsfaktorfamilie (MYC, MYCL und MYCN) aktiviert was zu beschleunigtem und aggressiverem Wachstum führt. Wir haben herausgefunden, dass je nachdem welcher MYC Transkriptionsfaktor aktiviert ist, sich unterschiedliche Sensitivitäten der Tumorzellen ergeben. MYC Überexpression führt zu erhöhtem DNA Schaden, Repression der BCL2 Expression und verstärktem Apoptotic Priming. Dies korreliert mit erhöhter Sensitivität gegenüber Aurora Kinase- und MCL1 Inhibition. Hohe MYCL/MYCN Level hingegen vermitteln Resistenz gegen diese Therapie. Somit kann der MYC-Status des Tumors als prädiktiver Marker für das Ansprechen auf bestimmte Therapien fungieren. Das NUT Karzinom ist eine sehr seltene und aggressive Art von Lungenkrebs und wird durch das onkogene Fusionsprotein BRD4-NUT initiiert. BRD4-NUT führt zu einer genomweiten, epigenetischen Reprogrammierung welche zur Induktion von wachstumsfördernden Genen führt. Mittels Hochdurchsatz-Viabilitätsscreening haben wir herausgefunden, dass CDK9 Inhibition effektiv und präferenziell gegen NUT Karzinom Zellen wirkt. Die Inhibition von CDK9 erhöht die Retention von RNA Polymerase II am Genpromotor und verhindert so potenziell die Transkription von Tumor-fördernden Genen. Diese Ergebnisse rechtfertigen die weitere Untersuchung von CDK9 Inhibition im NUT Karzinom. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Dammert, Marcel Andre mdammert@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-551165
Date:	1 December 2021
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Medicine > Pathologie und Neuropathologie > Institut für Pathologie
Subjects:	Life sciences Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Lung cancer English Small cell lung cancer English Non-small cell lung cancer English
Date of oral exam:	1 December 2021
Referee:	Name Academic Title Sos, Martin Prof. Dr. Garcia Saez, Ana Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/55116