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Exploring adaptive resistance mechanisms towards BRAF inhibitors in pediatric high-grade gliomas
integrative analysis of genetic alterations and gene expression profiles with next-generation sequencing
Patrizia Gurschka
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Computational Science
Betreuer*in
Christopher Gerner
DOI
10.25365/thesis.78129
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-22057.54819.894419-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Pädiatrische hochgradige Gliome gehören zu den aggressivsten Tumoren des zentralen Nervensystems bei Kindern. Sie sind für etwa 40% aller Todesfälle im Zusammenhang mit Hirntumoren bei Kindern verantwortlich. Trotz multimodaler Therapie beträgt die Fünf-Jahres-Überlebensrate von Kindern mit hochgradigen Gliomen nur 28.4%. Eine Untergruppe dieser Tumoren ist durch die aktivierende BRAF V600E-Mutation gekennzeichnet, welche zu einer konstitutiven Aktivierung des MAPK-Signalweges führen und eine erhöhte Krebszellenproliferation, Dedifferenzierung und Überlebensfähigkeit begünstigen. Daher wurde eine gezielte Therapie mit BRAF Inhibitoren für den klinischen Einsatz zugelassen. Obwohl BRAF Inhibitoren wie Dabrafenib anfangs vielversprechende Ergebnisse zeigen, nimmt ihre Wirksamkeit im Laufe der Behandlung aufgrund erworbener Resistenzmechanismen ab. In dieser Studie untersuchten wir die zugrunde liegenden Resistenzmechanismen auf molekularer Ebene, sowie mögliche alternative Behandlungsoptionen mittels eines multi-omischen Ansatzes. Drei Zellmodelle eines pädiatrischen Patienten mit hochgradigem Glioma, die aus der Primär- und Rezidivläsion stammen, sowie eine in vitro generierte Dabrafenib-resistente Sublinie des Rezidivmodells, wurden mittels Zwei-Farben-Microarrays, RNA Sequenzierung und Exom-Sequenzierung charakterisiert. Das Vorhandensein der BRAF V600E-Mutation wurde mit dem Integrative Genomics Viewer in allen drei Zellmodellen bestätigt. Die Analyse des häufigsten Resistenzmechanismus gegen BRAF Inhibitoren in BRAF V600E-mutierten hochgradigen Gliomen - die Reaktivierung des MAPK Signalweges - ergab, dass wichtige Gene dieses Signalweges herunterreguliert sind. Dies deutet darauf hin, dass der MAPK-Signalweg in unserem resistenten Zellmodell im Vergleich zum Rezidivmodell weniger aktiv ist. Die Ergebnisse der Gen-Set-Variation- und Gen-Set-Enrichment-Analyse von den Signalwegen, die mit dem MAPK-Signalweg in Verbindung stehen, bestätigen diese Gen-Herunterregulation. Die Untersuchung von Missense-Mutationen in unseren Exom-Sequenzierungsdaten identifizierte Mutationen, die den MAPK-Sigalweg direkt beeinflussen, Zell-Differenzierung, Proliferation sowie Überlebensfähigkeit verändern oder die Wirksamkeit von BRAF Inhibitoren und Tumor-Zell-Interaktionen beeinflussen, das zu einer Unabhängigkeit vom MAPK-Signalweg durch erworbene Mutationen führt. Die Analyse von Expressionsdaten aus Microarrays und RNA Sequenzierungen zeigte eine geringere Expression von Genen, die für die negative Regulation des PI3K/AKT/mTOR-Signalweges wichtig sind. Dies deutet darauf hin, dass die alternative Aktivierung des PI3K/AKT/mTOR-Signalweges ein potenzieller Resistenzmechanismus in unserem Dabrafenib-resistenten Zellmodell darstellt. Zusätzlich stellten wir eine signifikante Hochregultation von ABCB1 in unserem Dabrafenib-resistenten Zellmodell fest. Dies weist auf eine Überexpression von Arzneimittel-Efflux-Pumpen hin, die den Arzneimitteltransport im Tumor einschränken könnten. Ein groß angelegtes Wirkstoff-Screening zeigte eine Überempfindlichkeit unserer resistenten Sublinie gegenüber platinbasierten Verbindungen (Cisplatin, Oxaliplatin, Carboplatin). Die GSEA ergab eine signifikante Herunterregulation von Signalwegen, die mit der DNAReparatur und der Reaktion auf DNA-Schäden assoziiert sind, sowie eine Hochregulation der TP53-Signalgebung, das auf eine beeinträchtigte Reaktion auf DNA-Schäden hindeutet. Zusammenfassend, legen unsere Ergebnisse nahe, dass die Resistenz gegen BRAF Inhibitoren in unserem resistenten Modell durch die alternative Aktivierung des PI3K/AKT/mTORSignalweges, eine Unabhängigkeit von MAPK-Signalweg aufgrund erworbener Mutationen und eine verstärkte Wirkstoff-Efflux-Aktivität bedingt ist. Darüber hinaus könnten die beobachteten defekten DNA-Reparaturmechanismen eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber platinbasierten Wirkstoffen erklären, welche eine vielversprechende alternative Therapiestrategie für BRAF Inhibitor-resistente hochgradige Gliome darstellen könnte.
Abstract
(Englisch)
Pediatric high-grade gliomas are amongst the most aggressive tumors of the central nervous system in children. High-grade gliomas make up around 40% of all deaths associated with brain tumors in children. The five-year survival rate for children suffering from high-grade gliomas is 28.4% despite the multimodal treatment. A subgroup of pediatric high-grade gliomas is characterized by BRAF V600E gain-of-function mutations leading to constitutive activation of the MAPK signaling pathway and increased cancer cell proliferation, dedifferentiation, and survival. Therefore, targeted therapy with BRAF inhibitors was approved for clinical use. Although BRAF inhibitors such as dabrafenib initially show promising results in patients, their efficacy diminishes over treatment duration due to acquired resistance mechanisms. Here, we thought to investigate the underlying resistance mechanisms on a molecular level and possible alternative treatment options using a multi-omic approach. Three cell models of a pediatric patient with high-grade glioma, originating from the primary and recurrent lesion, as well as one in vitro-generated dabrafenib-resistant subline of the recurrent model, were used characterized using two-color microarrays, RNA sequencing, and whole exome sequencing. The presence of the BRAF V600E mutation was verified in all three cell models. Analysis of the most frequently described resistance mechanism against BRAF inhibitors in BRAF V600E-mutated high-grade gliomas, reactivation of the MAPK pathway, revealed that important genes involved in the MAPK pathway are downregulated, indicating that this signaling pathway is less active in our resistant cell model compared to the recurrent model. Downregulated gene set variation and enrichment analyses (GSVA and GSEA) results of pathways relating to the MAPK pathway confirmed the gene downregulation. Investigation of missense mutations in our whole exome sequencing data detected mutations directly affecting the MAPK pathway, influencing cell differentiation, proliferation, and survival or impacting BRAF inhibitor efficacy and tumor cell interactions, leading to independence of the MAPK pathway due to acquired mutations. Examination of expression array and RNA sequencing data showed lower expression of genes involved in negative regulation of the PI3K/AKT/mTOR pathway. Therefore, alternative activation of the PI3K/AKT/mTOR pathway seems to be a potential resistance mechanism in our dabrafenib-resistant cell model. Furthermore, we detected significant upregulation of ABCB1 in the dabrafenib-resistant cell model, indicating overexpression of drug efflux pumps leading to challenges in drug delivery. A large-scale drug screen revealed hypersensitivity of our resistant subline to platinumbased compounds (cisplatin, oxaliplatin, carboplatin). GSEA indicated significant downregulation of DNA repair and DNA damage response pathways, and upregulation of TP53 signaling, suggesting impaired DNA damage response. In summary, our findings propose that BRAF inhibitor resistance in our resistant model is driven by alternative PI3K/AKT/mTOR pathway activation, MAPK pathway independence via acquired mutations, and increased drug efflux. Furthermore, the observed impaired DNA repair mechanisms may explain an increased vulnerability to platinumbased compounds, which represents a promising alternative therapeutic strategy in BRAF inhibitor-resistant high-grade gliomas.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Gliome BRAF V600E BRAF Inhibitor Resistenz Computergestützte Biologie
Schlagwörter
(Englisch)
glioma BRAF V600E BRAF inhibitor resistance Computational Biology
Autor*innen
Patrizia Gurschka
Haupttitel (Englisch)
Exploring adaptive resistance mechanisms towards BRAF inhibitors in pediatric high-grade gliomas
Hauptuntertitel (Englisch)
integrative analysis of genetic alterations and gene expression profiles with next-generation sequencing
Paralleltitel (Deutsch)
Erforschung adaptiver Resistenzmechanismen gegenüber BRAF Inhibitoren bei pädiatrischen hochgradigen Gliomen
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
viii, 92 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Christopher Gerner
Klassifikation
42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie
AC Nummer
AC17484853
Utheses ID
75061
Studienkennzahl
UA | 066 | 910 | |