Building a map of the breast cancer proteome - Strategies to increase coverage

Abstract

Amongst the various –omics sciences, proteomics has the highest potential for functional characterization and consequently can contribute significantly to the field of cancer research. In particular, the focus of this thesis is on breast cancer. Alas, since state-of-the-art technologies cannot meet the complexity of upper eukaryotic proteomes, a complete resolution of clinical samples is still unachievable. Comprehensive mapping of proteins involved in cancer and of their PTMs is proposed in this thesis as a general strategy to increase the output of mass-spectrometry based proteomics. Different approaches to improve the coverage of this map are proposed: optimization of sample fractionation, focusing on difficult sub-proteomes, targeting of specific biological processes and optimization of data analysis. A combination of these approaches will provide a growing collection of empirical MS-spectra, which will enhance the detection by shotgun proteomics and facilitate the transition towards the development of targeted assays.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Uppsättningen av gener i DNA, genomet, kan betraktas som drivande för konstruktionen av varje levande varelse, medan motsvarande proteiner, proteomet, är materiellt ansvariga för de flesta biologiska processer. Kort sagt, gener bestämmer vad celler ”ska kunna göra” medan proteiner definierar vad varje cell "gör" ur en funktionell synvinkel. Aktiviteten hos dessa molekyler beror dock inte bara på deras sekvens, som bestäms av den gen som kodar för dem, men också på en rad faktorer som inte kan detekteras genom genetisk analys såsom koncentration, kemiska modifieringar och lokalisering i cellen. Undersökning av proteomet på global nivå kallas proteomik och syftar till att beskriva fysiologiska processer, framförallt patologiska sådana, genom att karakterisera de proteiner som är ansvariga snarare än de gener som kodar för dem.

Tack vare tekniska framsteg under de senaste åren är det nu möjligt att sekvensera hela genom på relativt kort tid. Samtidigt har utvecklingen av masspektrometri och relaterade tekniker gjort det möjligt att identifiera tusentals proteiner från extremt små provmängder. I den vanligaste versionen av denna teknik, digereras alla proteiner i provet till fragment, peptider, vars molekylvikt och fragmenteringsmönster mäts med hög precision. Dessa egenskaper tillåter identifiering av proteinerna och ger en uppskattning av deras koncentration för att sammanställa en proteomikkarta för funktionell förstårelse. Hittills är karakterisering av hela det mänskliga proteomet dock fortfarande utom räckhåll på grund av den enorma komplexiteten hos de behandlade proverna och att den teknik som finns tillgänglig fortfarande är otillräcklig.

Ett av de områden som skulle gynnas mest av proteomik är forskningen om bröstcancer, en av de vanligaste cancerformerna bland kvinnor. Sjukdomen uppvisar en extremt heterogen patologi och är inte heller fullständigt karakteriserad ur en molekylär synvinkel. Dechiffrering av cancerproteomet är dett kritiskt steg för att definiera nya läkemedel, för att optimera de behandlingar som redan finns och för att identifiera markörer som skulle möjligöra tidig diagnos.

Den röda tråden som löper genom artiklarna i denna avhandling är sökandet efter strategier för att utöka den proteomiska kartan av just bröstcancer. Den första artikeln (PAPER I) presenterar en jämförande analys av fraktioneringstekniker av peptider och proteiner för att öka antalet identifierbara analyter per prov. I den andra artikeln (PAPER II) behandlas tumörcellers anpassning till förhållanden med lite eller inget syre genom att fokusera på en klass av proteiner som är svåra att analysera: membran proteiner. En kvantitativ karakterisering av de mekanismer som används av tumören för att vara motståndskraftig mot strålterapi (och till DNA-skadande ämnen i allmänhet) beskrivs i den fjärde artikeln (PAPER IV). Slutligen innehåller PAPER III grunden för sammanställandet av ett proteinindex för bröstcancer, ett verktyg som kommer att underlätta framtida analyser inom proteomik. Den sistnämnda artikeln, tillsammans med PAPER II, visar att analys av mRNA (de molekyler som fungerar som mellanhänder för kodningen av gener till proteiner) är otillförlitlig för att bestämma den intracellulära koncentrationen av motsvarande protein. PAPER V introducerar ett program för identifiering av de biologiska processer som pågår i cellen, grundat på data från proteomiska experiment. Slutligen beskriver PAPER VI tillämpningen av den "proteomiska bröstcancer kartan", som erhållits från tidigare artiklar, för att utveckla tester som snabbt, exakt och reproducerbart mäter specifika proteiner som ansvarar för DNA-reparation och potentiellt motstånd till radio- och kemoterapi.

Sammantaget tecknar artiklarna i denna avhandling konturerna av strategier för att göra cancerproteomet mer tillgängligt och mätbart. PAPER II och IV utökar dessutom förståelsen av två specifika aspekter av tumörbiologi.

• author: Cifani, Paolo
• supervisor: Peter James
• opponent: Bini, Luca, Dipartimento di Biologia Molecolare, Università di Siena, Italy.
• organization: Department of Immunotechnology
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Immunology in the medical area
• keywords: Quantitative proteomics, Mass-Spectrometry, Cancer, DNA repair, Hypoxia, PTMs, Sample fractionation, Database
• defense location: Lecture Hall, Medical Village, Scheelevägen 2, Lund
• defense date: 2013-05-31 09:15:00
• ISBN: 978-7473-529-1
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 9a3c3a24-9e38-4305-9dcc-fd338fa2e1c0 (old id 3734714)
• date added to LUP: 2016-04-04 14:19:39
• date last changed: 2023-04-18 18:02:35