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Abstract

EML4-ALK is an oncogenic chromosomal rearrangement found in 5% of non-small-cell lung cancer. This fusion involves the echinoderm microtubule-associated protein-like 4 (EML4) and the anaplastic lymphoma kinase (ALK) genes. Interestingly, up to 15 different EML4-ALK variants have been described, with variant 1 and variant 3 accounting for over 70% of the cases. The discovery of the EML4-ALK oncogene represents a critical milestone in precision medicine, providing important insights into targeted therapies. However, despite exhibiting a favorable prognosis, EML4-ALK-driven tumors become resistant to available ALK inhibitors. Additionally, co-occurring genetic alterations can often shape tumor development and treatment response. Beyond the role of TP53 in therapy response, very little is known about the impact of other genetic alterations. Therefore, this thesis aims to improve the therapeutic response of EML4-ALK tumor cells and to uncover the fitness landscape of EML4-ALK lung tumors across various genetic alterations. To investigate the therapeutic response of variant 1 and variant 3, I established cell lines derived from corresponding murine lung tumors. These cell lines accurately reproduce histopathological markers of lung adenocarcinomas and respond to ALK inhibitors, rendering them appropriate as a preclinical tool. The results indicate that variant 3 exhibits lower sensitivity to brigatinib and lorlatinib, two potent ALK inhibitors used as standard-of care for the treatment. Importantly, this enhanced resistance could be overcome by the use of SRC inhibitors. In-depth (phospho)proteomic analyses revealed a synergistic effect primarily driven by a strong inhibition of pathways crucially linked to lung cancer, particularly inhibiting the mTOR pathway. Due to the genomic heterogeneity of cancer and its impact on patient outcomes, I coupled CRISPR/Cas9 gene editing with tumor barcoding sequencing to the impact of 29 tumor suppressor genes in an Eml4-Alk variant-specific manner. This work identified unexpectedly diverse genetic interactions that strongly and specifically influence tumorigenesis driven by either EML4-ALK variant 1 or variant 3. These findings suggest that the underlying biology of V1 and V3-driven lung tumors is very different and show that different variants can significantly alter the effects of other pathways on tumor progression. Furthermore, I demonstrated that loss of Lkb1 or Setd2 significantly enhanced V3-tumor growth, reducing mouse survival. These findings highlight the essential role of these genes in cancer progression in an EML4-ALK variant-specific manner. Finally, this mouse model is a valuable preclinical tool for investigating pharmacological responses in various tumor genotypes.

Translation of abstract (German)

EML4-ALK ist ein onkogenes chromosomales Rearrangement, das bei 5 % der nicht-kleinzelligen Lungenkarzinome auftritt. Diese Fusion betrifft die Gene für das Mikrotubuli-assoziierte Protein 4 (EML4) und die anaplastische Lymphomkinase (ALK). Es sind bis zu 15 verschiedene EML4-ALK Varianten beschrieben worden, von denen Variante 1 und Variante 3 über 70 % der Fälle ausmachen. Die Entdeckung des EML4-ALK Onkogens stellt einen wichtigen Meilenstein in der Präzisionsmedizin dar und liefert Erkenntnisse für gezielte Therapien. Trotz der günstigen Prognose entwickeln EML4-ALK Tumore jedoch oft eine Resistenz gegenüber verfügbaren ALK-Inhibitoren. Zudem können gleichzeitig auftretende genetische Veränderungen die Tumorentwicklung und das Ansprechen auf die Behandlung beeinflussen. Neben der Rolle von TP53 für das Ansprechen auf die Therapie ist nur sehr wenig über die Auswirkungen anderer genetischer Veränderungen bekannt. Diese Arbeit zielt darauf ab, das therapeutische Ansprechen von EML4-ALK-Tumorzellen zu verbessern und die Fitnesslandschaft von EML4-ALK Lungentumoren durch verschiedene genetische Veränderungen aufzudecken. Um das therapeutische Ansprechen von Variante 1 und Variante 3 zu untersuchen, wurden Zelllinien aus entsprechenden murinen Lungentumoren hergestellt. Diese Zelllinien geben die histopathologischen Marker von Lungenkarzinomen genau wieder und sprechen auf ALK-Inhibitoren an. Diese Voraussetzungen/Bedingungen machen sie zu einem geeigneten präklinischen Werkzeug. Die Ergebnisse zeigen, dass Variante 3 eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Brigatinib und Lorlatinib, zwei potente ALK-Inhibitoren, aufweist. Es ist wichtig zu erwähnen, dass die erhöhte Resistenz durch den Einsatz von SRC-Inhibitoren überwunden werden konnte. Die (Phospho-)Proteomanalysen ergaben einen synergistischen Effekt, der hauptsächlich auf die starke Hemmung von Signalwegen zurückzuführen ist, die entscheidend mit Lungenkrebs in Verbindung stehen. Insbesondere wurde der mTOR-Signalweg gehemmt. Aufgrund der genomischen Heterogenität von Krebs und ihrer Auswirkungen auf die Behandlungsergebnisse habe ich CRISPR/Cas9-Gene Editing mit Tumor-Barcoding-Sequenzierung gekoppelt, um gleichzeitig die Auswirkungen von 29 Tumorsuppressorgenen in einer Eml4-ALK-Varianten-spezifischen Weise zu untersuchen. Dabei wurden unerwartet vielfältige genetische Interaktionen identifiziert, die die Tumorentstehung entweder durch die EML4-ALK Variante 1 oder die Variante 3 spezifisch beeinflussen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die zugrunde liegende Biologie von V1- und V3-Lungentumoren sehr unterschiedlich ist. Verschiedene Varianten können die Auswirkungen anderer Signalwege auf den Tumorphänotyp erheblich verändern. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass der Verlust von Lkb1 und Setd2 das Wachstum von V3-Tumoren deutlich verstärkt und die Überlebensrate der Mäuse verringert. Diese Ergebnisse heben die wichtige Rolle dieser Gene bei der Krebsentwicklung in einer EML4-ALK-Varianten spezifischen Weise hervor. Dieses Mausmodell ist/dienst als ein wertvolles präklinisches Instrument zur Untersuchung pharmakologischer Reaktionen bei verschiedenen Tumor-Genotypen.