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Screen of Compounds to Target Tumor Cells with Chromothripsis

Khalid, Umar

German Title: Screening von Verbindungen auf Zieltumorzellen mit Chromothripsis

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Abstract

Chromothripsis is a form of genomic instability that begins with a shattering event leading to clustered chromosomal aberrations. Chromothriptic cells acquire multiple genomic alterations in confined genomic regions restricted to one or a few chromosomes. Due to the very high prevalence of chromothripsis in different types of cancers especially Sonic Hedgehog medulloblastomas, osteosarcomas and neuroblastomas and due to the link between chromothripsis and poor prognosis for cancer patients, finding therapeutic options to specifically target tumor cells with chromothripsis is highly relevant. Chromothripsis is linked to homologous recombination (HR) repair deficiency in a number of tumor types. Therefore, synthetic lethality may potentially be used, whereby HR repair deficiencies of cancer cells are exploited by applying a PARP inhibitor, which spares repair-proficient normal cells. In the primary screen, I searched for potential additive or synergistic partners of a PARP inhibitor (BGB290) and also searched for drugs that are potent as single agents. The analysis of the primary screen done in 15 cell lines identified romidepsin and nanaomycin A as promising candidates to eliminate tumor cells with chromothripsis. To confirm the potential additivity or synergism of these drugs with the PARP inhibitor, a secondary screen was done where drugs were titrated against each other in 8×8 matrix settings. The secondary screen revealed a strong synergistic interaction between BGB290 and romidepsin in chromothriptic Sonic Hedgehog (SHH) medulloblastoma patient derived xenograft spheroid models but antagonism in non-chromothriptic control cells. Functional assays revealed that the synergistic effect between BGB290 and romidepsin was not TP53 dependent. Romidepsin and BGB290 combination treatment caused G2 cell cycle arrest and apoptosis in chromothriptic DAOY cells. The mitotic rate was decreased by romidepsin and BGB290 combination treatment in DAOY cells as shown by acetyl-αtubulin and phospho-histone H3 immunostaining. Gene expression analysis revealed that the romidepsin and BGB290 combination treatment was associated to the regulation of MYC target genes. To further analyze the link between MYC expression and the effects of the combination treatment, I used an inducible MYC ON / OFF system. When MYC was overexpressed, romidepsin and BGB290 showed additivity, while in the MYC OFF state the additive effect was replaced by antagonism. This indicates that MYC overexpression plays a role in the interaction between BGB290 and romidepsin. Lastly, the in vivo efficacy of BGB290 and romidepsin combination treatment was confirmed in patient-derived xenograft mouse models.

Translation of abstract (German)

Chromothripsis ist eine Form der genomischen Instabilität, bei der es durch ein einmaliges Ereignis zu einer Anhäufung von Umlagerungen in Chromosomen kommt. Chromothriptische Zellen weisen mehrere genomische Veränderungen in bestimmten genomischen Abschnitten auf, die auf ein oder mehrere Chromosomen beschränkt sind. Aufgrund der sehr hohen Prävalenz von Chromothripsis in verschiedenen Tumorentitäten insbesondere Sonic Hedgehog medulloblastomas, osteosarcomas and neuroblastomas, sowie des Zusammenhangs zwischen Chromothripsis und einer schlechten Prognose für Krebspatienten ist es daher von besonderer Notwendigkeit, therapeutische Ansätze zu entwickeln, die sich gezielt gegen Tumorzellen mit Chromothripsis richten. Bei einigen Tumorentitäten ist Chromothripsis mit einer fehlerhaften Reparatur bei der homologen Rekombination (HR) verbunden. Aus diesem Grund kann möglicherweise synthetische Letalität verwendet werden, wobei die fehlerhafte HRReparatur von Krebszellen genutzt wird, indem diese mit einem PARP-Inhibitor behandelt werden, wobei normale Zellen mit intakter Reparaturaktivität geschont werden. In einem Primärscreen wurden nach möglichen Inhibitoren gesucht, die eine additive oder synergistische Wirkung zu einem PARP-Inhibitor (BGB290) haben, sowie nach Inhibitoren, die auch als Einzelwirkstoffe wirksam sind. Die Analyse des primären Screens, welches in 15 Zelllinien durchgeführt wurde, brachte Romidepsin und Nanaomycin A als vielversprechende Kandidaten hervor. Um eine mögliche Additivität oder einen Synergismus mit dem PARP-Inhibitor zu bestätigen, wurde ein sekundärer Screen durchgeführt, bei dem die Inhibitoren in einer 8×8-Konzentrationsmatrix gegeneinander titriert wurden. Dieses sekundäre Screening zeigte eine starke synergistische Wechselwirkung zwischen BGB290 und Romidepsin in Sphäroidmodellen, die aus chromothriptischen Sonic Hedgehog (SHH) Medulloblastom-Patienten stammenden Xenotransplantaten (PDX) hergestellt wurden, jedoch einen Antagonismus in Kontrollzellen ohne Chromothripsis. Des Weiteren konnten mit Hilfe von funktionellen Assays gezeigt werden, dass der synergistische Effekt zwischen BGB290 und Romidepsin TP53-unabhängig war. Die kombinierte Behandlung mit Romidepsin und BGB290 bewirkte einen Zellzyklus-Arrest in G2 und Apoptose in chromothriptischen DAOY-Zellen. Acetyl-α-Tubulin- und Phospho-Histon-H3-Immunfärbung zeigten, dass die Mitoserate von DAOY-Zellen durch die Romidepsin- und BGB290-Kombinationsbehandlung reduziert wurde. Genexpressionsanalyses zeigten, dass die Kombinationsbehandlung mit Romidepsin und BGB290 mit der Regulation von MYC-Zielgenen verbunden ist. Um den Zusammenhang zwischen der MYC-Expression und den Auswirkungen der Kombinationsbehandlung weiter zu analysieren, verwendete ich ein induzierbares MYCON/OFF-System. Während bei einer Überexpression von MYC Romidepsin und BGB290 Additivität zeigten, ist im MYCOFF-Zustand der additive Effekt durch Antagonismus ersetzt worden. Dies weist darauf hin, dass die Überexpression von MYC eine Rolle bei der Wechselwirkung zwischen BGB290 und Romidepsin spielt. Abschließend wurde die in vivo Wirksamkeit der Kombinationsbehandlung mit BGB290 und Romidepsin in PDX-Mausmodellen bestätigt.

Document type: Dissertation
Supervisor: Lichter, Prof. Dr. Peter
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 13 July 2021
Date Deposited: 22 Nov 2021 13:09
Date: 2021
Faculties / Institutes: The Faculty of Mathematics and Computer Science > Department of Mathematics
The Faculty of Bio Sciences > Institute of Pharmacy and Molecular Biotechnology
DDC-classification: 500 Natural sciences and mathematics
570 Life sciences
610 Medical sciences Medicine
Controlled Keywords: Drug Screen, Chromothripsis, HDAC inhibitor, PARP inhibitor, BGB290, Romidepsin, MYC, Genomic instability, DNA damage and repair, homologous recombination repair, TP53
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