Investigation of paralog dependencies for targeted cancer therapy

Abstract

Synthetic lethality is a concept where the simultaneous loss of two genes leads to cell death while deficiency of only one of the genes has no negative effect on cell survival. Paralog dependency constitutes a special form of synthetic lethality. Paralog genes in a paralog dependency, these two genes have emerged from gene duplication and are believed to be functionally redundant. Paralog dependencies represent a promising opportunity for targeted cancer therapy because if one gene is lost due to a cancer-specific alteration, a drug inhibiting the corresponding paralog only affects cancer cells. Healthy cells are spared as they do not rely on only one paralog. Therefore, it is anticipated that targeted cancer therapy elevates problems caused by chemotherapy. In this master’s thesis, six potential paralog pairs were assessed: DNAJC15/19, RPP25/25L, PAPSS1/2, PRPS1/2, SLC25A28/37 and VPS4A/B. The goal was to verify whether these gene pairs are functionally redundant and to assess their potential as therapeutic targets for cancer therapy. Two paralog dependencies could be confirmed. DNAJC19 inhibition can be used to target cancers, in which the biomarker DNAJC15 is silenced through DNA methylation. Both proteins, DNAJC15 and DNAJC19, are part of a mitochondrial complex, required to transport precursor proteins across the inner mitochondrial membrane. Interestingly, the loss of DNAJC15 through DNA methylation has been associated with chemotherapeutic resistance. The second confirmed paralog dependency is RPP25 and RPP25L. These proteins are subunits of RNase P, which processes precursor tRNA as well as other cellular RNA. Both targets led to a block in cell proliferation when knocked out in cancer cell lines which do not express the respective paralog. This sensitivity can be mitigated when the biomarker paralog is overexpressed.

Synthetische Letalität beschreibt das Verhältnis zweier Gene, in welchem der gleichzeitige Verlust beider Gene zum Zelltod führt, während es keine negativen Effekte für die Zelle gibt, wenn nur eines der Gene fehlt. Man spricht von einer paralogen Abhängigkeit, wenn dieses Genpaar durch Genduplikation entstanden ist. Paraloge Abhängigkeiten stellen eine vielversprechende Gelegenheit für die gezielte Krebstherapie dar, denn wenn eines der Gene durch eine krebsspezifische Veränderung verloren geht, schädigt ein Wirkstoff, welcher das andere Paralog inhibiert, nur diese Krebszellen. Gesunde Zellen werden nicht beeinträchtigt, da diese nicht von nur einem Paralog abhängig sind. Daher können mit einer gezielten Krebstherapie Probleme, welche in der klassischen Chemotherapie auftreten, vermieden werden. In dieser Masterarbeit wurden sechs potentielle Paralogpaare untersucht: DNAJC15/19, RPP25/25L, PAPSS1/2, PRPS1/2, SLC25A28/37 und VPS4A/B. Das Ziel war die Verifikation einer paralogen Abhängigkeit zwischen diesen Genen und die Untersuchung des Potentials der jeweiligen Target-Gene für die gezielte Krebstherapie. Zwei paraloge Abhängigkeiten konnten bestätigt werden: Durch die Inhibition von DNAJC19 können gezielt Tumore behandelt werden, in welchen die Expression des Biomarkers DNAJC15 durch DNA Methylierung verhindert wird. Diese beiden Proteine sind Teil des Transportproteins TIM23, welches Precursor-Proteine durch die innere Mitochondrienmembran befördert. Zusätzlich wurde der Verlust von DNAJC15 durch DNA Methylierung mit Resistenz gegen Chemotherapie assoziiert. Die zweite bestätigte paraloge Abhängigkeit besteht zwischen RPP25 und RPP25L. Diese Proteine sind Untereinheiten von RNase P, welche für die Prozessierung von verschiedenen RNAs, unter anderem Precursor-tRNAs, zuständig ist. In beiden Fällen konnte beobachtet werden, dass Krebszellenlinien, welche das jeweilige Biomarker-Gen nicht exprimieren, einen erheblichen Proliferationsnachteil haben, wenn das Target-Gen ausgeschalten wird. Diese Empfindlichkeit kann jedoch verhindert werden, wenn das entsprechende Biomarker-Gen überexprimiert wird.