German Title: Ursprungszelle und Fusionsvarianten von Eml4-Alk bei nicht-kleinzelligem Lungenkrebs

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Abstract

Non-small cell lung cancer (NSCLC) is one of the most prevalent and lethal forms of cancer worldwide. EML4-ALK is a fusion gene that arises from a chromosomal translocation between the echinoderm microtubule-associated protein-like 4 (EML4) and the anaplastic lymphoma kinase (ALK) genes. This fusion gene has been found in approximately 5-7% of NSCLC cases, making it an important therapeutic target for this disease. Therefore, this thesis aimed to understand the molecular and biological mechanisms underlying EML4-ALK variants in NSCLC, in order to provide insights into the development and progression of this disease which could lead to more effective therapies. To study the most prevalent Eml4-Alk variants in NSCLC, I made use of an available adenoviral system to induce the endogenous V1 rearrangement in mouse lungs, and generated a similar system to induce the V3 fusion gene. The results of this thesis revealed that the Eml4-Alk V3 rearrangement induced a diverse range of lung adenocarcinomas, including papillary lesions, solid and lepidic adenocarcinomas, as well as squamous cell carcinomas (SCC). Interestingly, SCC had not been previously observed in the Eml4-Alk V1 model. Careful examination of the mice uncovered that the V3 model induced a significantly reduced overall survival rate compared to V1, correlating with a more aggressive phenotype of this variant observed in patients. This study also demonstrated that V1 cells undergo DNA damage and apoptosis early upon transformation, which could be the reason of the delayed death of V1 mice. Further results suggested that this early phenotype in V1 mice was most probably related to the Tp53 pathway, since loss of Trp53 induced a reduction in the overall survival rate and increased the number of tumors in V1 mice but not V3 mice. NSCLC is a heterogeneous disease with diverse molecular subtypes and one of the critical factors that contribute to the variability in NSCLC is the cell of origin. Understanding the cell of origin of NSCLC helps to identify the molecular mechanisms and signaling pathways that drive the cancer's development, progression, and response to therapy and to identify new biomarkers for early detection and prognosis. In this thesis, I observed that V3 tumors were derived from club and alveolar type 2 (AT2) cells, consistent with previous findings in V1, and that those with an AT2 origin seem to be more aggressive. Additionally, time course single-cell RNA sequencing of the development of V1 club tumors revealed that club cells use their intrinsic regeneration mechanisms during the process of tumor development. Taken together, these findings provide important insights into the complexity of EML4-ALK variants in NSCLC and the diverse ways in which these variants contribute to the development of this disease. They highlight the need for further investigation into the mechanisms underlying EML4-ALK variants, in order to guide the development of more effective treatments for NSCLC.

Translation of abstract (German)

Nicht-kleinzelliges Lungenkarzinom (NSCLC) ist weltweit eine der häufigsten und tödlichsten Krebsarten. EML4-ALK ist ein Fusionsgen, das aus einer chromosomalen Translokation zwischen den Genen für das Mikrotubuli-assoziierte Protein 4 (EML4) und die anaplastische Lymphomkinase (ALK) entsteht. Dieses Fusionsgen wurde in etwa 5 % der Fälle von NSCLC gefunden und ist damit ein wichtiges therapeutisches Ziel für diese Krankheit. Ziel dieser Arbeit war es daher, die molekularen und zellulären Mechanismen zu verstehen, die den EML4-ALK-Varianten bei nicht-kleinzelligem Lungenkrebs zugrunde liegen, um Einblicke in die Entwicklung und das Fortschreiten dieser Krankheit zu gewinnen, die zu wirksameren Therapien führen könnten. Zur Untersuchung der häufigsten Eml4-Alk-Varianten bei nicht-kleinzelligem Lungenkrebs nutzte ich ein verfügbares adenovirales System, um das endogene V1-Rearrangement in Mäuselungen zu induzieren, und entwickelte ein ähnliches System zur Induktion des V3-Fusionsgens. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass das Eml4-Alk V3-Rearrangement eine Vielzahl von Tumortypen induziert, darunter papilläre Läsionen, solide, azinäre und lepidische Adenokarzinome sowie Plattenepithelkarzinome (SCC). Interessanterweise war SCC im Eml4-Alk V1-Modell bisher nicht beobachtet worden. Eine sorgfältige Untersuchung der Mäuse ergab, dass das V3-Modell im Vergleich zu V1 eine deutlich geringere Gesamtüberlebensrate aufwies, was mit dem aggressiveren Phänotyp der Patienten korreliert. Die Studie zeigte auch, dass V1-Zellen nach der Transformation frühzeitig DNA-Schäden und Apoptose erleiden, was der Grund für den verzögerten Tod der V1-Mäuse sein könnte. Weitere Ergebnisse deuten darauf hin, dass dieser frühe Phänotyp bei V1-Mäusen höchstwahrscheinlich mit dem Tp53-Signalweg zusammenhängt, da der Verlust von Trp53 bei V1-Mäusen, nicht aber bei V3-Mäusen, zu einer Verringerung der Gesamtüberlebensrate und einem Anstieg der Tumorzahl führte. Der NSCLC ist eine heterogene Krankheit mit verschiedenen molekularen Subtypen, und einer der entscheidenden Faktoren, die zur Variabilität des NSCLC beitragen, ist die Ursprungszelle. Das Verständnis der Ursprungszelle von NSCLC hilft bei der Identifizierung der molekularen Mechanismen und Signalwege, die die Entwicklung und das Fortschreiten des Krebses sowie das Ansprechen auf die Therapie steuern, und bei der Ermittlung neuer Biomarker für die Früherkennung und Prognose. In dieser Arbeit habe ich festgestellt, dass V3-Tumoren aus Keulen- und Alveolarzellen des Typs 2 (AT2) entstanden sind, was mit früheren Erkenntnissen bei V1 übereinstimmt, und dass diejenigen mit AT2-Ursprung aggressiver zu sein scheinen. Darüber hinaus ergab die zeitliche Abfolge der Einzelzell-RNA-Sequenzierung der Entwicklung von V1-Keulentumoren, dass Keulenzellen während der Tumorentwicklung ihre eigenen Regenerationsmechanismen nutzen. Zusammengenommen bieten diese Ergebnisse wichtige Einblicke in die Komplexität der EML4-ALK-Varianten bei NSCLC und in die verschiedenen Arten, in denen diese Varianten zur Entwicklung dieser Krankheit beitragen. Sie machen deutlich, dass die molekularen und zellulären Mechanismen, die den EML4-ALK-Varianten zugrunde liegen, weiter untersucht werden müssen, um die Entwicklung wirksamerer Behandlungen für NSCLC zu ermöglichen.