PARP remmers in STAG2 gemuteerde tumoren: een unieke kans voor nieuwe therapie

Wat weten we al?

PARP remmers kunnen worden gebruikt als therapie in bepaalde soorten kanker. Hiermee wordt de DNA reparatiefactor PARP1 geremd. Normale cellen hebben daar weinig last van, maar sommige tumorcellen wel. Dit komt doordat die cellen vanwege defecten in andere DNA reparatiemechanismen sowieso al moeite hebben met het repareren van DNA schade. De focus voor klinische toepassing van PARP remmers ligt nu nog voornamelijk bij borstkanker en eierstokkanker, maar het kan ook effectief zijn bij andere subtypes. Hiervoor is het belangrijk om van tevoren zo goed mogelijk te kunnen voorspellen of een tumor goed zal reageren op de behandeling, op welke manier de behandeling zo effectief mogelijk gemaakt kan worden (bijvoorbeeld door het te combineren met een andere behandeling) en hoe eventuele resistentie van tumorcellen kan worden vermeden.

Er zijn aanwijzingen dat mutaties (fouten) in het gen STAG2 cellen gevoelig kunnen maken voor PARP remmers. STAG2 mutaties komen in veel verschillende soorten kanker voor. Hierdoor kan het gebruik van PARP remmers in STAG2 gemuteerde tumoren een kansrijke behandeloptie zijn. Om dit effectief te kunnen toepassen, moeten we meer weten over de rol van STAG2 in de respons op PARP remmers en op welke manier het effect van PARP remmers in  deze tumoren versterkt kan worden.

Van het STAG2 gen wordt het eiwit SA2 gemaakt. SA2 heeft een rol in het functioneren van het eiwitcomplex ‘cohesin’. Cohesin vormt een soort ring, waarmee verschillende DNA strengen aan elkaar kunnen worden vastgehouden. Dankzij deze eigenschap kan cohesin helpen om het DNA netjes te organiseren, wat belangrijk is voor o.a. de verdubbeling en vervolgens verdeling van DNA tijdens de celdeling. In de fase voorafgaand aan de celdeling maakt de cel van elk DNA-molecuul (chromosoom) een exacte kopie. Het dubbelstrengs DNA wordt ‘opengeritst’, zodat er twee stukken enkelstrengs DNA ontstaan. Die DNA strengen worden vervolgens allebei gekopieerd, waardoor er weer twee dubbele DNA strengen ontstaan (de ‘zusterchromatiden’). Vanaf dat moment houdt cohesin, dankzij zijn ringvormige structuur, de beide zusterchromatiden aan elkaar verbonden. Dit is nodig om alle DNA uiteindelijk netjes te kunnen verdelen over de twee dochtercellen, zodat die allebei weer de volledige en juiste set chromosomen bevatten.

Wanneer er haperingen ontstaan in het openritsen en vervolgens kopiëren van DNA (‘DNA replicatie’), noemen we dat ‘DNA replicatiestress’. Het DNA kan hierdoor breken. Ons laboratorium heeft recent aangetoond dat om dit soort breuken snel en goed te kunnen repareren, cohesin moet worden verwijderd. Met andere woorden: cohesin moet flexibel zijn in het binden en weer loslaten van DNA. Aangezien tumorcellen relatief veel DNA replicatiestress hebben, wordt deze dynamiek van binden en loslaten sterk beïnvloed in tumorcellen. Ook veel kankermedicijnen leiden tot DNA replicatiestress. Er wordt aangenomen dat de toxiciteit van PARP remmers voornamelijk het berust op het effect op DNA replicatie. Een aantal recente publicaties geeft bovendien aan dat SA2 een rol speelt in de dynamiek van cohesin tijdens DNA replicatiestress. Hierdoor lijkt het plausibel dat de verhoogde gevoeligheid van STAG2 gemuteerde cellen voor PARP remmers verband houdt met een verstoorde dynamiek van cohesin tijdens DNA replicatiestress.

Wat willen we weten?

Er is slechts beperkt inzicht in hoe SA2 de verschillende functies van cohesin beïnvloedt, hoe STAG2 verlies kan leiden tot kanker en hoe dit kan worden benut voor kankertherapie. Ook is onduidelijk hoe SA2 de reactie van de cel op PARP remmers beïnvloedt, welke andere factoren hierbij betrokken zijn en hoe deze processen eventueel kunnen worden gemoduleerd voor een therapeutisch effect. In dit project willen we identificeren welke factoren de verhoogde gevoeligheid van STAG2 gemuteerde cellen voor PARP remmers bepalen.

Wat gaan we doen?

We beginnen met een analyse van het effect van STAG2 verlies, met en zonder PARP remmer, op enkele specifieke processen die relevant zijn voor de functie van cohesin. Hiervoor gebruiken we een aantal verschillende setjes cellijnen, waarbinnen de beide varianten volledig identiek aan elkaar zijn behalve de status van het STAG2 gen (intact versus gemuteerd). Deze experimenten zullen niet alleen waardevolle inzichten opleveren over hoe SA2 de respons op PARP remmers beïnvloedt, maar het helpt bovendien bij het interpreteren van de bevindingen in hiernavolgende experimenten en voor het ontwerp van zinvolle vervolgexperimenten.

Vervolgens zullen we zowel op genetisch als eiwitniveau de cellulaire context bestuderen waarin SA2 de respons op PARP remmers bepaalt. Met behulp van CRISPR-Cas9 technologie kunnen genen een voor een worden uitgeschakeld om het effect daarvan te onderzoeken. Genoombrede CRISPR-screens zijn een middel om in een keer naar alle genen tegelijk te kijken, om zo de meest relevante genen in de onderzochte omstandigheden te kunnen identificeren. Daarom zullen we genoombrede CRISPR-screens uitvoeren, om genen te vinden die STAG2 gemuteerde cellen nog gevoeliger, of juist minder gevoelig maken voor PARP remmers. Dit soort genen zouden kunnen dienen als biomarker, en mogelijk aangrijpingspunt voor een verhoogde effectiviteit van PARP remmers en minder resistentie. Daarnaast zullen we geavanceerde technieken gebruiken om het SA2 eiwit en het cohesin eiwitcomplex uit cellen te zuiveren, en vervolgens door middel van massaspectrometrie te kijken welke andere eiwitten eraan binden. Dit maakt het mogelijk het effect van PARP remmers op de directe eiwitinteracties van SA2 en het cohesin-complex te onderzoeken.

In vervolgexperimenten gaan we de ‘hits’ uit bovenstaande studies verder onderzoeken. Gezien de huidige kennis van SA2 en PARP-remmers zullen we ons in eerste instantie richten op de dynamiek van cohesin tijdens DNA replicatiestress, maar indien nodig (afhankelijk van wat we vinden) zullen we ook naar andere processen kijken.

Wat levert het op?

Ten eerste zal dit project biologisch inzicht geven in hoe verlies van STAG2 resulteert in verhoogde gevoeligheid voor PARP remmers. Naar verwachting levert het ook mogelijke biomarkers op, die de respons op PARP remmers kunnen voorspellen, evenals mogelijke aangrijpingspunten om het gebruik van PARP remmers in STAG2 gemuteerde kankercellen effectiever te maken en het risico op resistentie te minimaliseren. Om deze biomarkers en aangrijpingspunten te testen, gaan we kankercellijnen verzamelen met STAG2 mutaties. Als eindpunt van het project verwachten we overtuigende aanwijzingen te hebben om therapieën, gebaseerd op PARP remmers, verder te ontwikkelen voor behandeling van STAG2 gemuteerde tumoren