Targeting oncogenic signaling proteins : new insights using a FRET-based chemical biology approach

Cancer affects more than 20 million people each year and this rate is increasing globally. The Ras/MAPK-pathway is one of the best-studied cancer signaling pathways. Ras proteins are mutated in almost 20% of all human cancers and despite numerous efforts, no effective therapy that specifically targets Ras is available to date. It is now well established that Ras proteins laterally segregate on the plasma membrane into transient nanoscale signaling complexes called nanoclusters. These Ras nanoclusters are essential for the high-fidelity signal transmission. Disruption of nanoclustering leads to reduction in Ras activity and signaling, therefore targeting nanoclusters opens up important new therapeutic possibilities in cancer. This work describes three different studies exploring the idea of membrane protein nanoclusters as novel anti-cancer drug targets. It is focused on the design and implementation of a simple, cell-based Förster Resonance Energy Transfer (FRET)-biosensor screening platform to identify compounds that affect Ras membrane organization and nanoclustering. Chemical libraries from different sources were tested and a number of potential hit molecules were validated on full-length oncogenic proteins using a combination of imaging, biochemical and transformation assays. In the first study, a small chemical library was screened using H-ras derived FRET-biosensors. Surprisingly from this screen, commonly used protein synthesis inhibitors (PSIs) were found to specifically increase H-ras nanoclustering and downstream signalling in a H-ras dependent manner. Using a representative PSI, increase in H-ras activity was shown to induce cancer stem cell (CSC)-enriched mammosphere formation and tumor growth of breast cancer cells. Moreover, PSIs do not increase K-ras nanoclustering, making this screening approach suitable for identifying Ras isoform-specific inhibitors. In the second study, a nanoncluster-directed screen using both H- and K-ras derived FRET biosensors identified CSC inhibitor salinomycin to specifically inhibit K-ras nanocluster organization and downstream signaling. A K-ras nanoclusteringassociated gene signature was established that predicts the drug sensitivity of cancer cells to CSC inhibitors. Interestingly, almost 8% of patient tumor samples in the The Cancer Genome Atlas (TCGA) database had the above gene signature and were associated with a significantly higher mortality. From this mechanistic insight, an additional microbial metabolite screen on H- and K-ras biosensors identified ophiobolin A and conglobatin A to specifically affect K-ras nanoclustering and to act as potential breast CSC inhibitors. In the third study, the Ras FRET-biosensor principle was used to investigate membrane anchorage and nanoclustering of myristoylated proteins such as heterotrimeric G-proteins, Yes- and Src-kinases. Furthermore, Yes-biosensor was validated to be a suitable platform for performing chemical and genetic screens to identify myristoylation inhibitors. The results of this thesis demonstrate the potential of the Ras-derived FRETbiosensor platform to differentiate and identify Ras-isoform specfic inhibitors. The results also highlight that most of the inhibitors identified predominantly perturb Ras subcellular distribution and membrane organization through some novel and yet unknown mechanisms. The results give new insights into the role of Ras nanoclusters as promising new molecular targets in cancer and in stem cells.

Lihasperäiselle kreatiinikinaasille spesifinen immunomääritys Duchennen lihasdystrofian seulontaa varten

Duchennen lihasdystrofia (engl. Duchenne muscular dystrophy, DMD) on lähes pelkästään pojilla ilmenevä perinnöllinen lihasrappeumatauti, joka johtaa kuolemaan noin 25 vuoden iässä. Noin yksi 3500–6000 pojasta sairastaa DMD:tä. Taudin aiheuttaa X-kromosomissa sijaitsevan dystrofiinigeenin mutaatio, jonka seurauksena toimivaa, lihaksia koossapitävää dystrofiinia ei tuotu. Kliinisissä testeissä on lupaavia hoitoja, joten DMD:n vastasyntyneiden seulonnan aloittamista harkitaan. DMD:n seulonnassa analyyttina olisi mahdollista käyttää lihasperäistä kreatiinikinaasia (engl. muscle-type creatine kinase tai creatine kinase MM isoform, CK-MM), jota päätyy vereen lihassolujen vaurioituessa. DMD:tä sairastavilla vastasyntyneillä CK-MM:n määrä veressä on moninkertainen terveisiin vastasyntyneisiin verrattuna lihasten rappeutumisesta johtuen. Perinteisesti kreatiinikinaasia on mitattu entsyymiaktiivisuusmäärityksillä, jotka mittaavat kaikkia kreatiinikinaasimuotoja eli myös sydänperäistä ja aivoperäistä kreatiinikinaasia (CK-MB ja CK-BB). Työn tarkoituksena oli kehittää kuivatuista veritäplistä tehtävä CK-MM:lle spesifinen kaksipuoleinen immunomääritys, joka olisi siirrettävissä PerkinElmerin automaattiselle GSP® Genetic Screening Processor -analysaattorille. Työ suoritettiin kolmessa vaiheessa. Ensimmäiseksi vertailtiin kaupallisesti saatavilla olevien CK-MM-vasta-aineiden affiniteetteja biosensorilla. Seuraavassa vaiheessa pystytettiin manuaalinen kaksipuoleinen immunomääritys käyttäen ensimmäisessä vaiheessa valittuja vasta-aineita ja optimoitiin immunomäärityksen parametreja. Lopuksi immunomääritys sovitettiin GSP-laitteelle. Biosensorimittausten ja manuaalisten immunomääritysten tulosten perusteella valittiin kaksi potentiaalista leimavasta-ainetta ja yksi sitojavasta-aineeksi sopiva vasta-aine. Niitä käytettäessä määritys on melko spesifinen CK-MM:lle, sillä CK-BB ei tuottanut lainkaan signaalia ja CK-MB:n ristireaktiivisuus oli noin 7 %. GSP-laitteella mitattaessa DMD:tä sairastavien (n = 10) CK-MM-pitoisuuksien mediaani (vaihteluväli) oli 7590 ng/ml (1490–13400 ng/ml) ja terveiden vastasyntyneiden (n = 8) 165 ng/ml (108–263 ng/ml). Määrityksen dynaamista mittausaluetta ei vielä selvitetty, mutta alustavien mittausten perusteella se kattaa terveiden vastasyntyneiden pitoisuudet ja sairaiden pitoisuudet ainakin 8770 ng/ml asti, mikä mahdollistaa sairaiden erottumisen. Työssä kehitetty määritys vaikuttaa siis sopivalta DMD:n seulontaan vastasyntyneiltä.

Perfluorattuja yhdisteitä sisältävien jätevesien puhdistus- ja analyysimenetelmät

Perfluoratut alkyyliyhdisteet eli PFAS-yhdisteet ovat synteettisiä orgaanisia yhdisteitä, joissa on fluorattu hiiliketju. Hiilen ja fluorin väliset vahvat sidokset ovat muodostuneet ongelmaksi jätevedenpuhdistamoilla, sillä yhdisteet eivät hajoa puhdistamoilla käytössä olevilla vedenpuhdistusmenetelmillä. Yhdisteitä kertyy luontoon jätevesien mukana. Kandidaatintyössä on vertailtu yhdisteitä sisältävien vesien käsittelymenetelmiä parhaiten soveltuvan menetelmän löytämiseksi. Menetelmien kustannuksia tai soveltuvuutta vedenpuhdistamomittakaavan prosessiksi ei ole arvioitu. Lisäksi työssä on koottu yhdisteitä sisältävien jätevesien analysointiin sopivia analyysimenetelmiä. Soveltuvat puhdistus- ja analyysimenetelmät on esitelty uusien tieteellisten artikkelien pohjalta. Mahdollisia erotusmenetelmiä ovat membraanierotus ja sorptio. Membraaneista soveltuvimpia ovat nanosuodatus- ja käänteisosmoosimembraanit, joilla erottuvat jopa 0,0001 μm:n kokoiset partikkelit. PFAS-yhdisteet voidaan erottaa sorptiolla muun muassa aktiivihiileen. Yhdisteiden rakenne hajoaa nykyaikaisilla hapetusmenetelmillä ja polttamalla lietteen mukana. Hapettaminen permanganaatin avulla ei tuottanut hyvää tulosta, mutta fotokemiallisella hapetuksella ja alhaisen lämpötilan plasmatekniikalla (NTP) yhdisteiden rakenne hajosi lähes kokonaan. Fotokemiallinen hapetus onnistui erityisesti perfluorokarboksyylihapoilla, joiden rakenne hajosi jopa kolmessa tunnissa. Yleisimmin käytetty analyysimenetelmä on nestekromatografin ja massaspektrometrin yhdistelmä (LC-MS/MS) ja matriisivaikutus minimoidaan tyypillisesti kiinteäfaasiuutolla (SPE). Työssä esitellyistä käsittelymenetelmistä parhaiten soveltuva on NTP-menetelmä, koska sillä saatiin tutkimusten mukaan hajotettua yhdisteiden rakenne muita menetelmiä lyhyemmässä ajassa ja se soveltuu parhaiten kaikille PFAS-yhdisteille. NTP-menetelmässä ei tarvita katalyyttiä tai lisäkemikaaleja. Voimakkaana hapettimena toimivat epästabiilit hydroksyyliradikaalit, jotka syntyvät koronapurkauksen kautta. Koronapurkauksessa muodostuu myös otsonia ja lisäksi vapaa happi voi tehostaa hapettumista. Menetelmässä muodostuvien hajoamistuotteiden hallinta vaatii lisätutkimusta. Mahdollinen hallintakeino voisi olla esimerkiksi hapettumisessa vapautuvien fluoridi-ionien saostaminen. Muodostuvien hajoamistuotteiden toksisuutta voitaisiin tarkkailla biosensorilla.