Computational drug repurposing in Claudin-low breast cancer subtype

Abstract

Claudin-low (CL) subtype of breast cancer is characterized by low gene expression of tight junction proteins claudin 3, 4 and 7 and E-cadherin, and by high expression of genes participating in the epithelial-mesenchymal transition (EMT). Despite its clinical significance, there is limited understanding regarding the cellular origin and the specific oncogenic drivers that contribute to its development and progression. Within this context, the MSc dissertation aimed at providing insight into the CL mechanism and at computationally identifying candidate repurposed FDA-approved drugs. To this end, we used network analysis and two in silico drug repurposing techniques, namely docking and gene expression profile reversing. The network analysis of the upregulated CL genes signature showed that, based on nodes centrality, the most influential genes were the CD44, JUN and TGFBR2. These genes were found to be associated through a positive regulation loop, primarily activating the ERK pathway. Next, we performed docking of FDA-approved compounds to ANPEP, a protein found upregulated in CL and proposed as a therapeutic target. We also compiled a list of molecules that reverse the genetic signature of CL. Two shared drugs between those two lists, Olanzapine and Pantoprazole, were shown to reduce the migratory ability of cancer, by inhibiting both ANPEP and ERK pathway. Molecular dynamics simulations of the predicted complexes were performed to investigate if the compounds acquired stable conformations in the docked poses within ANPEP. Additionally, the analysis of the gene ontology terms of the proteins targeted by the compound lists showed that the term GABA alpha-receptor (GABAAR) was enriched among all gene lists, indicating that most compounds indirectly affect it. The particular receptor is upregulated in breast cancer and is found to utilize the ERK 1/2 signaling pathway to mediate pro-migratory effects. The research suggests the significance of the ERK1/2 pathway, as the main mediator of the epithelial-mesenchymal transition (EMT), in the formation/progression of CL. ERK is involved in a variety of cellular processes making it harder to target without causing significant side effects. GABAAR is proposed as a therapeutic target, as hyperactivation of the receptor is shown to induce apoptosis. Further in silico and experimental studies are necessary to validate the candidate-repurposed drugs.

Το υποείδος του καρκίνου του μαστού Claudin-low (CL) χαρακτηρίζεται από μειωμένη γονιδιακή έκφραση των πρωτεϊνών claudin 3, 4 και 7, και e-cadherin και από την υπερέκφραση γονιδίων που συμμετέχουν στην επιθηλιακή-μεσεγχυματική μετάβαση (ΕΜΜ). Παρα την κλινική του σημαντικότητα, υπάρχει περιορισμένη κατανόηση σχετικά με την κυτταρική προέλευση του, και τους συγκεκριμένους ογκογενείς παράγοντες που συμβάλλουν στην ανάπτυξη και εξέλιξή του. Στο πλαίσιο αυτό, η μεταπτυχιακή διατριβή στοχεύει στο να συμβάλλει στην κατανόηση του μηχανισμού του CL, αλλά και στην υπολογιστική ταυτοποίηση υποψήφιων FDA-εγκεκριμένων φαρμάκων για επαναστόχευση σε αυτόν. Για αυτόν τον σκοπό, πραγματοποιήθηκε ανάλυση δικτύου και δύο υπολογιστικές (in silico) τεχνικές φαρμακευτικής επαναστόχευσης, την πρωτεϊνική σύνδεση (protein docking) και την αντιστροφή της γονιδιακής έκφρασης του CL. Η ανάλυση δικτύου των υπερεκφραζόμενων γονιδίων του CL, βασιζόμενη στην ανάλυση της κεντρικότητας των κόμβων, έδειξε ότι τα γονίδια CD44, JUN και TGFBR2, εμφανίζουν την μεγαλύτερη επιρροή στο δίκτυο. Αυτά τα γονίδια φαίνεται ότι μετέχουν σε μια θετικά ρυθμιζόμενη λούπα, υποκινούμενη από την ενεργοποίηση του μονοπατιού ΕΡΚ. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε η πρωτεϊνική σύνδεση των FDA-εγκεκριμένων μορίων στην πρωτεΐνη του ANPEP, η οποία βρέθηκε να υπερεκφράζεται στον CL και αποτελεί δυνητικό θεραπευτικό στόχο. Επίσης, συντάξαμε δύο λίστες μορίων ικανά να αντιστρέψουν την γενετική υπογραφή του CL. Τα κοινά φάρμακα που βρέθηκαν από τις δύο υπολογιστικές τεχνικές, Olanzapine και Pantoprazole, έδειξαν να μειώνουν την μεταναστευτική ικανότητα του καρκίνου, παρεμποδίζοντας την ANPEP αλλά και το μονοπάτι ERK. Ακολούθως, εφαρμόστηκαν μοριακές δυναμικές προσομοιώσεις των προβλεπόμενων συμπλόκων με σκοπό να διερευνηθεί αν τα μόρια αποκτούν σταθερές διαμορφώσεις κατά την σύνδεση τους με την ANPEP. Τέλος, η ανάλυση των γονιδιακών οντολογικών όρων των γονιδίων που επηρεάζονται από τα μόρια των λιστών που συντάχθηκαν, έδειξε ως κοινό τους όρο τον υποδοχέα GABA alpha receptor (GABAAR), υποδεικνύοντας ότι επηρεάζεται έμμεσα από τα περισσότερα μόρια. Η υπομονάδα πι του συγκεκριμένου υποδοχέα, παρατηρείται να υπερεκφράζεται στον καρκίνο του μαστού, και να ενεργοποιεί το μονοπάτι ERK για την απόδοση των μεταναστευτικών ιδιοτήτων. Η έρευνα υποδεικνύει την σημαντικότητα του μονοπατιού ERK, ως τον κύριο διεκπεραιωτή της επιθηλιακής-μεσεγχηματικής μετάβασης, στον σχηματισμό και στην ανάπτυξη του CL. Το ERK συμμετέχει σε πληθώρα κυτταρικών διεργασιών, καθιστώντας δύσκολη την στόχευση/καταστολή χωρίς παρενέργειες. Το GABAAR προτείνεται ως θεραπευτικός στόχος, μιας που η υπομονάδα πι μπορεί να επηρεάσει έμμεσα το μονοπάτι ΕΡΚ. Τέλος τα μόρια Olanzapine και Pantoprazole προτείνονται για περαιτέρω ανάλυση μέσω πειραματικών διεργασιών για την πιθανότητα επαναστόχευση τους στον CL.