Understanding treatment resistance in head and neck cancer, lymphoma and neuroblastoma through omics data analysis in a translational oncology setting

Abstract

In this thesis, I present my contributions to three publications in the field of translational precision oncology. What all three presented studies have in common is that they elucidate mechanisms that influence drug resistance, which is one of the major reasons why cancer ultimately proves lethal. Through technical and methodical advances, understanding of the inner workings of cancer cells is continuously improving even after decades of research. This progress allows for better treatment, tailored specifically for every patient. But as treatment puts pressure onto a tumor, resistance might eventually develop and the tumor relapses. For optimal treatment outcome, it is therefore important to use an effective drug while at the same time monitoring for the emergence of resistance and counteract it. The first publication, Distinct immune evasion in APOBEC-enriched, HPV-negative HNSCC, is the result of our interest in identifying possible markers for immune checkpoint inhibition in head and neck tumors, an area of study at Charité Comprehensive Cancer Center. Using open data from TCGA, we analyzed 496 tumors and evaluated their HPV status, mutational signatures, gene expression signatures as well as mutational load. We were able to define a subgroup with a distinct immune profile in HPV-negative tumors that shows increased inflammation, which correlates with the footprint of APOBEC3-associated single-nucleotide mutations. Further, in these tumors we observed a higher frequency in mutations that allow immune-evasion. In a separate single cell expression dataset, we show mRNA expression of APOBEC3 family members in tumor cells for the first time. Previously, it was not clear if APOBEC3 was expressed by the tumor cells or only in the surrounding tumor micro-environment, as APOBEC3 proteins are notoriously difficult to stain with antibodies. The publication by Akpa et al., Acquired resistance to DZNep-mediated apoptosis is associated with copy number gains of AHCY in a B-cell lymphoma model, describes how we engineered a B-cell lymphoma cell line to become resistant against the drug DZnep. By analyzing whole-exome data and comparing the resistant with sensitive cells, we were able to pinpoint a gene amplification of the gene AHCY, which is exactly the gene inhibited by DZnep. Thus, we have shown one possible avenue for development of resistance even before DZnep has been used in clinical studies. The final publication by Dorel et al., Neuroblastoma signaling models unveil combination therapies targeting feedback-mediated resistance, describes our efforts to model Ras/MAPK pathway activity in a panel of nine cell lines representative of high risk neuroblastoma. Through molecular characterization and pathway modeling on perturbation-response data we were able to formulate new treatment strategies that work by vertical inhibition on multiple pathway targets. By combining targeted drugs in such a deliberate manner, treatment outcomes will improve in the future.

In dieser Arbeit stelle ich meine Beiträge zu drei Veröffentlichungen im Bereich der transla- tionalen Präzisionsonkologie vor. Allen drei Studien ist gemeinsam, dass sie Mechanismen aufklären, die Arzneimittelresistenzen beeinflussen. Durch technische und methodische Fortschritte wird das Wissen über das Innenleben von Krebszellen auch nach Jahrzehnten der Forschung immer besser. Dieser Fortschritt ermöglicht eine Behandlung, die speziell auf jeden Patienten zugeschnitten ist. Da die Behandlung jedoch Druck auf den Tumor ausübt, kann sich schließlich eine Resistenz entwickeln. Für ein optimales Behandlungsergebnis ist es daher wichtig, ein wirksames Medikament einzusetzen und gleichzeitig die Entstehung von Resistenzen zu überwachen und ihnen entgegenzuwirken. Die erste Publikation, Distinct immune evasion in APOBEC-enriched, HPV-negative HNSCC, beschreibt einen möglichen Marker für die Antwort auf Immun-Checkpoint-Inhibition bei Kopf-Hals-Tumoren. Wir analysierten 496 Tumore und werteten ihren HPV-Status, Muta- tionssignaturen, Genexpressionssignaturen sowie die Mutationslast aus. Wir definieren eine Untergruppe mit einem ausgeprägten Immunprofil in HPV-negativen Tumoren, die erhöhte Entzündungswerte aufweist, welche mit APOBEC3-assoziierten Einzelnukleotidmutationen korreliert. Außerdem beobachteten wir in diesen Tumoren eine höhere Häufigkeit von Muta- tionen, die eine Umgehung des Immunsystems ermöglichen. In einem separaten single-cell Datensatz zeigen wir mRNA-Expression von APOBEC3 in Tumorzellen. Bisher war nicht klar, ob APOBEC3 von den Tumorzellen oder nur in der Tumorumgebung exprimiert wird, da APOBEC3-Proteine mit Antikörpern schwer zu färben sind. Die Veröffentlichung von Akpa et al, Erworbene Resistenz gegen DZNep-vermittelte Apoptose steht in Verbindung mit Kopienzahlgewinnen von AHCY in einem B-Zell-Lymphom-Modell, beschreibt, wie wir eine B-Zell-Lymphom-Zelllinie so verändert haben, dass sie gegen das Medikament DZnep resistent wurde. Durch die Analyse von Whole-Exom-Daten und den Vergleich der resistenten mit den empfindlichen Zellen konnten wir eine Genamplifikation des Gens AHCY nachweisen, das genau das Gen ist, das von DZnep gehemmt wird. Damit haben wir einen möglichen Weg für die Entwicklung einer Resistenz aufgezeigt, noch bevor DZnep in klinischen Studien eingesetzt wurde. Die letzte Veröffentlichung von Dorel et al, Neuroblastoma signaling models unveil combination therapies targeting feedback-mediated resistance, beschreibt unsere Bemühungen, die Aktivität des Ras/MAPK-Signalwegs in einer Gruppe von neun Zelllinien zu modellieren, die für das Hochrisiko-Neuroblastom repräsentativ sind. Durch molekulare Charakterisierung und Modellierung der Signalwege auf der Grundlage von Perturbationsdaten waren wir in der Lage, neue Behandlungsstrategien zu formulieren, die durch vertikale Hemmung mehrerer Targets wirken. Durch eine solche gezielte Kombination von Medikamenten werden sich die Behandlungsergebnisse in Zukunft verbessern.