The rediscovery of the immunomodulatory drug thalidomide as an effective therapy for multiple myeloma, along with the development of its more potent analogs, lenalidomide and pomalido-mide, has significantly advanced the therapeutic armamentarium for multiple myeloma. Thalido-mide analogs bind to the protein cereblon (CRBN) and alter the E3 ubiquitin ligase complex's substrate specificity, leading to ubiquitination and proteasomal degradation of Ikaros transcrip-tion factors. Despite these advances, the disease remains incurable as most patients relapse due to acquired treatment resistance. Although genetic alterations have been extensively studied, they do not account for the majority of resistance cases, necessitating the exploration of non-genetic mechanisms. This study aimed to investigate the role of post-transcriptional and -translational regulation of proteins in multiple myeloma in the context of pathogenesis and therapy resistance. Applying deep quantitative proteomics on primary multiple myeloma samples, we identified post-transcriptional upregulation of the cyclin-dependent kinase 6 (CDK6) protein as a targetable non-genetic resistance mechanism in lenalidomide-resistant patients. We demonstrated that CDK6 regulates a relapse-associated protein signature, and that inhibiting CDK6 acts synergistically with pomalidomide in myeloma cells both in vitro and in vivo. In a subsequent study, we performed a proteogenomic study on a large cohort of 138 myeloma patients at first diagnosis to investigate the proteomic landscape of multiple myeloma. The find-ings revealed that genetic alterations and post-transcriptional regulation contribute to a highly deregulated proteome in myeloma cells compared to healthy plasma cells. We uncovered the post-translational regulator ubiquitin-conjugating enzyme E2 Q1 (UBE2Q1) as an oncogenic driver on chromosome 1q that is associated with therapy resistance. By integrating proteomics and functional CRISPR screens, we also uncovered additional potential therapeutic targets for multiple myeloma. Among other findings, we identified a strong deregulation of apoptosis-related proteins in the t(11;14) subset of myeloma patients. In addition, inhibitor of apoptosis (IAP) genes BIRC2 and BIRC3 are frequently deleted in relapsed/refractory myeloma cases, indicating a possible higher sensitivity to apoptosis-modulating drugs. We therefore developed novel pan-IAP protein de-graders that are more effective than conventional IAP inhibitors in inhibiting the growth of mul-tiple myeloma cells and other hematologic cancers. In summary, this work has uncovered significant insights into the role of the ubiquitin-proteasome system in the pathogenesis and therapy of multiple myeloma, which has the potential to improve patient outcomes in multiple myeloma and other cancers in the future.
Die Wiederentdeckung des immunmodulatorischen Medikaments Thalidomid als effektive Therapie beim Multiplen Myelom und die daraus entwickelten stärkeren Analoga Lenalidomid und Pomalidomid erweiterten das therapeutische Arsenal für das Multiple Myelom stark. Thalidomid und seine Analoga binden an das Protein Cereblon (CRBN) und verändern die Substratspezifität des CRBN-E3-Ubiquitin-Ligase-Komplexes, was zur Ubiquitinierung und proteasomalen Abbau von Ikaros-Transkriptionsfaktoren führt. Obwohl nahezu alle Patienten auf die Therapie ansprechen, erleiden die meisten einen Rückfall aufgrund erworbener Therapieresistenz. Genetische Veränderungen wie Mutationen in CRBN erklären weniger als 10% der Resistenz. Ziel dieser Arbeit war es, die Rolle von post-transkriptioneller und -translationaler Regulation von Proteinen beim Multiplen Myelom im Kontext der Therapieresistenz zu untersuchen. Durch die Anwendung quantitativer Proteomik an primären Proben des Multiplen Myeloms konnten wir die post-transkriptionelle Hochregulierung des Proteins Cyclin-abhängige Kinase 6 (CDK6) als einen nicht-genetischen Resistenzmechanismus bei Lenalidomid-resistenten Patienten identifizieren. Wir wiesen nach, dass CDK6 eine Resistenz-assoziierte Proteinsignatur reguliert, dessen Hemmung durch Inhibitoren sowohl in vitro als auch in vivo synergistisch mit Pomalidomid auf Myelomzellen wirkt. In einer darauf aufbauenden Studie erstellten wir eine proteogenomische Studie an einer großen Kohorte von Myelompatienten zum Zeitpunkt der Erstdiagnose. Diese zeigte, dass sowohl genetische Veränderungen und post-transkriptionelle Regulation zu einem stark deregulierten Proteom in Myelomzellen im Vergleich zu gesunden Plasmazellen beitragen. Mit dem Ubiquitin-konjugierendem Enzym E2 Q1 (UBE2Q1) konnten wir einen post-translationalen Regulator als onkogenen Treiber auf Chromosom 1q aufdecken, der mit Therapieresistenz assoziiert ist. Durch die Integration von Proteomik und funktionellen CRISPR-Screens identifizierten wir zudem weitere potenzielle therapeutische Ziele für das Myelom. Unter anderem fanden wir eine starke Deregulierung apoptosebezogener Proteine in der t(11;14)-Subgruppe von Myelompatienten. Die Apoptoseinhibitor (IAP)-Gene BIRC2 und BIRC3 sind darüber insbesondere bei rezidivierten/refraktären Myelomfällen häufig deletiert, was zu einer möglichen höheren Sensitivität auf apoptosemodulierende Medikamente führt. Daher entwickelten wir neuartige pan-IAP-Protein-Degrader, die wirksamer als herkömmliche IAP-Inhibitoren das Wachstum von Multiplen Myelomzellen hemmten. Zusammenfassend konnte diese Arbeit wesentliche Erkenntnisse über die Rolle des Ubiquitin-Proteasom-Systems bei der Pathogenese und Therapie des Multiplen Myeloms aufdecken, die das Potential haben, die Behandlungsergebnisse beim Multiplen Myelom und anderen Krebserkrankungen in Zukunft zu verbessern.
