Advanced

Development of Computational Methods for Cancer Research: Strategies for closing the feedback loop in omics workflows

Kirik, Ufuk LU (2015)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Den mänskliga kroppen är ett komplext maskineri med en rad olika reglersystem och kontrollmekanismer. Flera grenar av modern biomedicinsk forskning riktar sig mot olika nivåer av detta komplexa maskineri. En av dessa grenar heter genomik, som ärläran om hur den genetiska koden som finns i varenda cell av en organism används och regleras. Slutförandet av Human Genome Project (HGP) gav det vetenskapliga samfundet en blåkopia av de molekylära byggstenarna i våra kroppar. Det överraskande resultatet är att nästan hela vår arvsmassa, det vill säga de proteinkodande regionerna i vårt DNA, delas inte bara bland alla levande människor, men också bland en överväldigande del av alla däggdjur.

Man... (More)
Popular Abstract in Swedish

Den mänskliga kroppen är ett komplext maskineri med en rad olika reglersystem och kontrollmekanismer. Flera grenar av modern biomedicinsk forskning riktar sig mot olika nivåer av detta komplexa maskineri. En av dessa grenar heter genomik, som ärläran om hur den genetiska koden som finns i varenda cell av en organism används och regleras. Slutförandet av Human Genome Project (HGP) gav det vetenskapliga samfundet en blåkopia av de molekylära byggstenarna i våra kroppar. Det överraskande resultatet är att nästan hela vår arvsmassa, det vill säga de proteinkodande regionerna i vårt DNA, delas inte bara bland alla levande människor, men också bland en överväldigande del av alla däggdjur.

Man kan då undra vilka mekanismer som står för de synliga och osynliga skillnaderna mellan oss människor. Svaret ligger delvis bland de biologiska molekyler som ligger på en högre nivå, dvs. proteinerna. Faktumet att en viss gen finns hos två människor betyder inte att de uttrycker samma protein, eller att det proteinet ifråga är funktionellt i samma utsträckning för dessa två individer. Proteomik är ännu en, något yngre, gren av biomedicinsk forskning som fokuserar på kvalitativ och kvantitativ kartläggning av proteomet. Proteomet definieras som den mängd proteiner som uttrycks av en cell, vävnad eller organism, vid en viss tidpunkt under specifika förhållanden. Proteomik studerar identiteten, kvantiteten eller funktionen av de proteinerna som finns i det undersökta systemet. Till skillnad från genomet, som är mer eller mindre identiskt hos de allra flesta cellerna i kroppen och bevaras så stabilt som möjligt, är proteomet otroligt dynamiskt med avseende på både tid och plats, och regleras konstant.

För att illustrera detta, betrakta en nervcell i ditt öga och en epitel cell på din hud. De ser ut och fungerar helt annorlunda eftersom de uttrycker olika proteiner, men de har samma uppsättning gener i cellkärnan. På samma sätt kan olika proteiner hittas i en cell som är i tillväxtfas jämfört med en cell som är mitt i celldelningsprocessen. Ett annat sådant exempel är förändringen i proteinuttryck för celler som exponeras för miljöfaktorer såsom starka variationer i tillgänglighet av näringsämnen eller olika typer

av stress såsom syrebrist eller joniserande strålning.



Proteomikens roll i cancerforskningen

Det övergripande målet för många proteomik projekt är att analysera förändringarna i proteinuttryck mellan två eller flera tillstånd, särskilt i sjukdomar såsom cancer där storskaliga förändringar i proteomet inträffar. En djupare förståelse av dessa förändringar kommer i slutändan att hjälpa forskare att utveckla bättre läkemedel och läkare att skräddarsy effektivare behandlingar för patienterna. Majoriteten av läkemedel som används idag mot cancer består av giftiga molekyler som påverkar främst delande celler. Målet med terapin bygger till stor del på antagandet att cancerceller genomgår celldelning snabbare och oftare än "normala" celler i sin omgivning. Cytotoxiska läkemedel orsakar allvarliga biverkningar för patienten, vilket

har en stor inverkan på livskvaliteten. Tyvärr har patienten i många fall väldigt liten nytta av behandlingen, om ens någon alls, på grund av förvärvad resistens. Samtidigt, är den ekonomiska bördan av dessa behandlingar för samhället inte försumbar. Många patienter har nedsatt immunförsvar och är mottagliga för opportunistiska sjukdomar.



Personlig medicin

Med begreppet personlig medicin menas att skräddarsy behandlingen baserad på den specifika typ av sjukdom patienten har. På så sätt får patienten den behandling som har störst chans att ge hälsofördelar, samtidigt som de cytotoxiska läkemedlen används minimalt och patienten förhoppningsvis upplever en mindre inverkan på livskvalitén. Men för att personlig medicin ska bli verklighet måste vissa utmaningar tacklas. Framförallt, för att skräddarsy behandlingen till en patient, bör de mekanismer som påverkas av sjukdomen upptäckas. Pro-onkogena mutationer, som är de förändringarna

i arvsmassan som främjar tumörutveckling eller överlevnad, måste identifieras. Nätverk av samverkande proteiner, som kallas för signalvägar, eller pathways, som har ändrats i de maligna cellerna, måste analyseras i detalj.

En rad viktiga framsteg mot användningen av personlig cancerbehandling i kliniken har gjorts. Idag lämnar nästan varje cancerpatient i Sverige prover som undersöks med state-of-the-art instrument, som avslöjar många viktiga insikter om olika steg av det molekylära maskineriet. Viktiga mutationer identifieras och signalvägar undersöks utifrån gen- eller proteinuttryck.

En framgångssaga är användningen av Herceptin för HER2-positiv bröstcancer. HER2 är ett receptorprotein som sitter på cellmembranet, och detta protein är involverat i den signalöverföring som är viktig för cellernas överlevnad och utveckling i tumörerna.

Herceptin är en molekyl som blockerar signaleringsprocessen genom detta receptorprotein och därigenom hindrar utvecklingen av de celler som uttrycker detta protein i hög grad. Ett annat lovande exempel är användningen av små molekyler som kallas tyrosin-kinas-hämmare, särskilt hos patienter som har en viss typ av cancer i buken (gastrointestinala stromacellstumörer).



I båda fallen riktas behandlingen mot ett protein av intresse, typiskt en svagpunkt i en känslig signalväg. Baserat på dessa principer är forskningen som presenteras i denna avhandling en samling av studier som syftar till att utöka vår förståelse av proteomet i olika typer av cancer. Artikel I beskriver en ny beräkningsmetod för att utvärdera reglering av proteinuttryck. Denna metod, och den mjukvara som implementerar metoden, ger prekliniska forskare möjlighet att identifiera de mekanismer som skiljer

tumörceller från normala celler i motsvarande vävnad.



De återstående fyra artiklarna beskriver studier som fokuserar på proteomikanalys av olika former av cancer. I artiklarna II och III är kliniska prover från mjukdels sarkom och gastroesofageal tumörer analyserade och nya insikter om dessa komplexa sjukdomar med hjälp av viktiga proteiner och signalvägar läggs fram. Artikel IV och V är däremot fokuserade på bröstcancerbiologi. Artikel IV visar att det finns liten till ingen korrelation mellan proteinuttryck av ”odödliga” cellinjer och molekylära subtyper av bröstcancer, som dessa cellinjer förmodas representera. Resultaten från denna studie pekar mot att försiktighet måste iakttas vid överföring av kunskap från studier av dessa modellsystem. Artikel V presenterar en studie kring de terapeutiska aspekterna av ERpositiv, luminal bröstcancer. Vi har i synnerhet undersökt den systemiska betydelsen av

östrogensignaleringsvägen och den terapeutiska potentialen av inhibering av denna väg demonstreras.

Det skulle vara alltför optimistiskt att ge en uppskattning på hur många år det kommer att ta innan vi har effektiva behandlingsmetoder mot alla former av cancer. Däremot är det klart att vi kommer att se viktiga förbättringar inom cancerterapi under de kommande 15-20 åren som i sin tur kommer att leda till förbättringar för patientens livskvalitet och ökad överlevnad. (Less)
Abstract
As the ultimate workhorses of the living things, proteins undergo significant regulatory activity throughout the lifetime of a cell or an organism. Many complex diseases effect the protein composition, expression or modification in the cells or tissues they arise in. It is then no surprise that proteomics is a field full of promise, one which is expected to generate significant insights towards functional characterization of cancer and deliver potential targets of diagnostic, prognostic or therapeutic value. It is also a science in its teens, which still grows and keeps changing as it grows with the technological advances in instrumentation as the driving force.

Since data analysis routines are yet to be established fully,... (More)
As the ultimate workhorses of the living things, proteins undergo significant regulatory activity throughout the lifetime of a cell or an organism. Many complex diseases effect the protein composition, expression or modification in the cells or tissues they arise in. It is then no surprise that proteomics is a field full of promise, one which is expected to generate significant insights towards functional characterization of cancer and deliver potential targets of diagnostic, prognostic or therapeutic value. It is also a science in its teens, which still grows and keeps changing as it grows with the technological advances in instrumentation as the driving force.

Since data analysis routines are yet to be established fully, functional characterization of protein expression regulation in cancer remains an open question. The work presented in this thesis provides an overview of the field based on technological, computational and biological aspects in the introductory chapters, introduces a novel method for functional evaluation of changes in protein expression and demonstrates its utility in PAPER I, and describes the insights gained from investigating proteomes of several different types of human malignancies.

PAPER I underlines the challenges in functional analysis of expression data, especially from LC-MS/MS experiments, and describes a method based on a relatively simple mathematical model, which is used for subsequent analyses. PAPER II describes a study on soft-tissue sarcomas, with the proteomic analysis revealing insights to protein expression patterns potential differentiation paths. PAPER III demonstrates a pairwise comparison of malignancies of gastroesophageal track and corresponding normal tissue; we highlight several proteins and pathways as likely targets of expression regulation. PAPER IV and V on the other hand focus on breast cancer. PAPER IV presents results from an investigation of immortalized breast cancer cell lines and raises the question of how well these model systems represents the tumours they are expected to be alike. PAPER V demonstrates the therapeutic potential of inhibiting oestrogen signalling in ER+ breast cancer, using a luminal type patient-derived xenograft mouse model.

Collectively, this thesis presents some of the key concepts in quantitative proteomics workflows, elaborates on the importance of data processing routines and through the papers in the appendix demonstrates the potential of functional analysis algorithms in generating insights to cancer biology. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Lehtiö, Janne, Cancer Proteomics Mass Spectrometry, Department of Oncology-Pathology Karolinska Institutet, Stockholm
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
cancer, proteome profiling, bioinformatics, pathway analysis, mass spectrometry, Quantitative proteomics
defense location
the lecture hall, Medicon Village (building 406), Scheelevägen 2, Lund University Faculty of Engineering
defense date
2015-10-02 09:15
ISBN
978-91-7623-459-4
978-91-7623-458-7
language
English
LU publication?
yes
id
a34d6a12-05f7-4b42-b173-c72b65bf9d6e (old id 7860081)
date added to LUP
2015-09-08 11:12:15
date last changed
2016-09-19 08:45:16
@phdthesis{a34d6a12-05f7-4b42-b173-c72b65bf9d6e,
  abstract     = {As the ultimate workhorses of the living things, proteins undergo significant regulatory activity throughout the lifetime of a cell or an organism. Many complex diseases effect the protein composition, expression or modification in the cells or tissues they arise in. It is then no surprise that proteomics is a field full of promise, one which is expected to generate significant insights towards functional characterization of cancer and deliver potential targets of diagnostic, prognostic or therapeutic value. It is also a science in its teens, which still grows and keeps changing as it grows with the technological advances in instrumentation as the driving force.<br/><br>
Since data analysis routines are yet to be established fully, functional characterization of protein expression regulation in cancer remains an open question. The work presented in this thesis provides an overview of the field based on technological, computational and biological aspects in the introductory chapters, introduces a novel method for functional evaluation of changes in protein expression and demonstrates its utility in PAPER I, and describes the insights gained from investigating proteomes of several different types of human malignancies.<br/><br>
PAPER I underlines the challenges in functional analysis of expression data, especially from LC-MS/MS experiments, and describes a method based on a relatively simple mathematical model, which is used for subsequent analyses. PAPER II describes a study on soft-tissue sarcomas, with the proteomic analysis revealing insights to protein expression patterns potential differentiation paths. PAPER III demonstrates a pairwise comparison of malignancies of gastroesophageal track and corresponding normal tissue; we highlight several proteins and pathways as likely targets of expression regulation. PAPER IV and V on the other hand focus on breast cancer. PAPER IV presents results from an investigation of immortalized breast cancer cell lines and raises the question of how well these model systems represents the tumours they are expected to be alike. PAPER V demonstrates the therapeutic potential of inhibiting oestrogen signalling in ER+ breast cancer, using a luminal type patient-derived xenograft mouse model.<br/><br>
Collectively, this thesis presents some of the key concepts in quantitative proteomics workflows, elaborates on the importance of data processing routines and through the papers in the appendix demonstrates the potential of functional analysis algorithms in generating insights to cancer biology.},
  author       = {Kirik, Ufuk},
  isbn         = {978-91-7623-459-4},
  keyword      = {cancer,proteome profiling,bioinformatics,pathway analysis,mass spectrometry,Quantitative proteomics},
  language     = {eng},
  school       = {Lund University},
  title        = {Development of Computational Methods for Cancer Research: Strategies for closing the feedback loop in omics workflows},
  year         = {2015},
}