E-cadherin and Choline Kinase: two challenging drug discovery targets

The data presented in this thesis was generated using molecular biology, protein chemistry and X-ray crystallography techniques. However, while the methodologies employed are essentially the same, the research work presented here refers to two different proteins, which are part of different research projects in the laboratory. For this reason, the content of this thesis is divided in two independent parts, each provided with an introduction and a general overview of the research topic and state-ofthe- art, a materials and methods section discussing the techniques used and the protocols followed, and a section where the results are presented and discussed in detail. The first half of the thesis deals with the structural characterization of the complex between human E-cadherin and three different small molecule potential inhibitors identified via a fragment-based drug discovery (FBDD) screening campaign that was conducted using a library of commercially available small fluorinated chemical fragments. For this screening phase, we used 19F-NMR as readout. The NMR experiments were done by our collaborator Dr. Marina Veronesi at the D3 PharmaChemistry division of the Italian Institute of Technology (IIT) in Genova (Italy). Functional cell adhesion assays to validate the inhibitory effects of the fragments thus identified were carried out in collaboration with Prof. Frédéric André at the University of Marseille (France). The second half of the thesis describes the structural characterization of Plasmodium falciparum Choline Kinase (PfChoK), an important pharmaceutical target in the fight against malaria, as well as the biochemical characterization of a library of potential inhibitors of PfChoK. These inhibitors were synthetized in the group of Prof. Luisa Carlota López-Cara at the Department of Pharmaceutical and Organic Chemistry of the University of Granada (Spain) in the framework of an ongoing collaboration between the two groups.

Role of Notch signalling in human hepatocellular carcinoma

The Notch signalling is a cellular pathway that results conserved from Drosophila to Homo sapiens controlling a wide range of cellular processes in development and in differentiated organs. It induces cell proliferation or differentiation, increased survival or apoptosis, and it is involved in stemness maintainance. These functions are conserved, but exerted with a high tissue and cellular context specificity. Signalling activation determs nuclear translocation of the receptor’s cytoplasmic domain and activation of target genes transcription. As many developmental pathway, Notch deregulation is involved in cancer, leading to oncogenic or tumour suppressive role depending on the functions exerted in normal tissue. Notch1 and Notch3 resulted aberrantly expressed in human hepatocellular carcinoma (HCC) that is the more frequent tumour of the liver and the sixth most common tumour worldwide. This thesis has the aim to investigate the role of the signalling in HCC, with particular attention to dissect common and uncommon regulatory pathways between Notch1 and Notch3 and to define the role of the signalling in HCC. Nocth1 and Notch3 were analysed on their regulation on Hes1 target and involvement in cell cycle control. They showed to regulate CDKN1C/p57kip2 expression through Hes1 target. CDKN1C/p57kip2 induces not only cell cycle arrest, but also senescence in HCC cell lines. Moreover, the involvement of Notch1 in cancer progression and epithelial to mesenchymal transition was investigated. Notch1 showed to induce invasion of HCC, regulating EMT and E- Cadherin expression. Moreover, Notch3 showed specific regulation on p53 at post translational levels. In vitro and ex vivo analysis on HCC samples suggests a complex role of both receptors in regulate HCC, with an oncogenic role but also showing tumour suppressive effects, suggesting a complex and deep involvement of this signalling in HCC.

Identificazione dei meccanismi molecolari responsabili del ruolo oncosoppressivo della molecola CD99 nell'osteosarcoma

CD99, glicoproteina di membrana codificata dal gene MIC2, è coinvolta in numerosi processi cellulari, inclusi adesione, migrazione, apoptosi, differenziamento e regolazione del trafficking intracellulare di proteine, in condizioni fisiologiche e patologiche. Nell’osteosarcoma risulta scarsamente espressa ed ha ruolo oncosoppressivo. L’isoforma completa (CD99wt) e l’isoforma tronca (CD99sh), deleta di una porzione del dominio intracellulare, influenzano in modo opposto la malignità tumorale. In questo studio, comparando cellule di osteosarcoma caratterizzate da differenti capacità metastatiche e diversa espressione di CD99, abbiamo valutato la modulazione dei contatti cellula-cellula, la riorganizzazione del citoscheletro di actina e la modulazione delle vie di segnalazione a valle del CD99, al fine di identificare i meccanismi molecolari regolati da questa molecola e responsabili del comportamento migratorio e invasivo delle cellule di osteosarcoma. L'espressione forzata di CD99wt induce il reclutamento di N-caderina e β-catenina a livello delle giunzioni aderenti ed inibisce l'espressione di molecole cruciali nel processo di rimodellamento del citoscheletro di actina, come ACTR2, ARPC1A, Rho-associated, coiled–coil-containing protein kinase 2 (ROCK2), nonché di ezrina, membro della famiglia ezrin/radixin/moesin e chiaramente associata con la progressione tumorale e la metastatizzazione dell’OS. Gli studi funzionali identificano ROCK2 come mediatore fondamentale nella regolazione della migrazione e della diffusione metastatica dell’osteosarcoma. Mantenendo cSRC in una conformazione inattiva, CD99wt inibisce la segnalazione mediata da ROCK2 inducendo una diminuzione dell’ezrina a livello della membrana accompagnata dalla traslocazione in membrana di N-caderina e β-catenina, principali ponti molecolari per il citoscheletro di actina. La ri-espressione di CD99wt, generalmente presente negli osteoblasti, ma perso nelle cellule di osteosarcoma, attraverso l'inibizione dell'attività di cSrc e ROCK2, aumenta la forza di contatto e riattiva i segnali anti-migratori ostacolando l’azione pro-migratoria, altrimenti dominante, dell’ezrina nell’osteosarcoma. Abbiamo infine valutato la funzione di ROCK2 nel sarcoma di Ewing: nonostante il ruolo oncogenico esercitato da CD99, ROCK2 guida la migrazione cellulare anche in questa neoplasia.

Studio degli effetti di citochine a basso dosaggio (LOW DOSE) su cellule di origine animale (3T3-L1) ed umana (hASC)

Nella sindrome metabolica l’insulino-resistenza e l’obesità rappresentano i fattori chiave nello sviluppo di tale patologia, ma il principale player risulta un’infiammazione cronica di basso grado (Chronic Low Grade Inflammation) a carico del tessuto adiposo. Lo scopo di questo progetto di ricerca è quindi stato quello di testare citochine a basso dosaggio come possibile trattamento dell’infiammazione cronica. Le citochine utilizzate (GUNA®-Interleukin 4 (IL-4), GUNA®-Interleukin 10 (IL-10), GUNA®-Melatonin, GUNA®-Melatonin+GUNA®-IL-4.) sono state fornite dall’azienda GUNA S.p.a. Poiché l’infiammazione cronica a basso grado inizia in seguito ad un aumento eccessivo del tessuto adiposo, inizialmente si è valutato l’effetto su una linea di preadipociti murini (3T3-L1). Questa prima parte dello studio ha messo in evidenza come le citochine a basso dosaggio non modificano la vitalità cellulare, anche se agiscono sull’espressione e la localizzazione di vimentina e E-caderina. Inoltre IL-4 e IL-10 sembrano avere una parziale attività inibitoria, non significativa, sull’adipogenesi ad eccezione dell’espressione dell’adiponectina che appare significativamente aumentata. In ultimo i trattamenti con IL-4 e IL-10 hanno mostrato una diminuzione del contenuto di ROS e una ridotta attività antiinfiammatoria dovuta alla diminuzione di IL-6 secreto. Un’altra popolazione cellulare principale nel tessuto adiposo è rappresentata dalle ASC (Adipose Stem Cell). Per tale motivo si è proseguito valutando l’effetto che le citochine low-dose su questo citotipo, evidenziando che il trattamento con le citochine non risulta essere tossico, anche se sembrerebbe rallentare la crescita cellulare, e determina un’inibizione del processo adipogenico. Inoltre il trattamento con IL-10 sembra stimolare le ASC a produrre fattori che inducono una maggiore vasculogenesi e le induce a produrre fattori chemiotattici che determinano una maggiore capacità di rigenerazione tissutale da parte di MSC da derma. Infine, il trattamento con IL-4 e IL-10 stimola probabilmente una minore produzione di citochine pro-infiammatorie che inducono in maniera significativa una minore mobilità di cellule MSC.

Study of genes involved in her2-positive breast cancer progression for identification of new therapeutic targets

HER2 overexpression is observed in 20-30% of invasive breast carcinomas and it is correlated with poor prognosis. Although targeted therapies have revolutionized the treatment of HER2-positive breast cancer, a high number of patients presented primary or acquired resistance to monoclonal antibodies and tyrosine kinase inhibitors. Tumor heterogenicity, epithelial to mesenchymal transition (EMT) and cancer stem cells are key factors in target therapy resistance and tumor progression. The aim of this project was to discover alternative therapeutic strategies to over-come tumor resistance by harnessing immune system and looking for new targetable molecules. The results reported introduce a virus-like particles-based vaccine against HER2 as promising therapeutic approach to treat HER2-positive tumors. The high and persistent anti-HER2 antibody titers elicited by the vaccine significantly inhibited tumor growth and metastases onset. Furthermore, the polyclonal response induced by the vaccine also inhibited human HER2-positive breast cancer cells resistant to trastuzumab in vitro, suggesting its efficacy also on trastuzumab resistant tumors. To identify new therapeutic targets to treat progressed breast cancer, we took advantage from a dynamic model of HER2 expression obtained in our laboratory, in which HER2 loss and cancer progression were associated with the acquisition of EMT and stemness features. Targeting EMT-involved molecules, such as PDGFR-β, or the induction of epithelial markers, like E-cadherin, proved to be successful strategy to impair HER2-negative tumor growth. Density alterations, which might be induced by anti-HER2 target therapies, in cell culture condition of a cell line with a labile HER2 expression, caused HER2 loss probably as consequence of more aggressive subpopulations which prevail over the others. These subpopulations showed an increased EMT and stemness profile, confirming that targeting EMT-involved molecules or antigen expressed by cancer stem cells together with anti-HER2 target therapies is a valid strategy to inhibit HER2-positive cells and simultaneously prevent selection of more aggressive clone.