Deciphering mechanisms of melanoma metastasis with main focus on brain metastasis

• Applicant: Dr. Torben Redmer
• Subject Area: Dermatology ; Hematology, Oncology
• Term: from 2017 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 392534127

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Patient*innen mit einem Melanom weisen oftmals auch Jahre nach der Erstdiagnose und therapiertem Primärtumor, solitäre und multiple Hirnmetastasen auf. Trotz therapeutischer Fortschritte sind die Optionen für die Behandlung von Hirnmetastasen noch immer limitiert und selbst Patient*innen mit einer signifikanten, intrakraniellen Response gegenüber therapeutischer Interventionen wie z. B. dem Einsatz von small molecule Inhibitoren zur Blockierung der konstitutiv aktiven (BRAFV600E/K) Form der BRAF Kinase (BRAFi), entwickeln multiple, Therapie-resistente und daher progrediente Hirnmetastasen, ~4-6 Monate nach Therapiebeginn. Im Rahmen des Projektes haben wir in einem multi-OMICS Ansatz kryoasservierte, intraoperative und archivierte Hirnmetastasen analysiert. Dabei konnten wir erstmalig zwei große Subgruppen unterscheiden, die durch die Expression des Zelladhäsionsmoleküls E-cadherin (Ecad) diskriminiert werden können. Mit Progress wird die Ecad Expression herunter reguliert und gleichzeitig die Expression des Nervenwachstumsfaktor-Rezeptors NGFR (CD271) heraufreguliert. Wir konnten nicht nur beobachten, dass BRAFi Therapie-naive MHM mit einem Ecad positiven Phänotyp assoziiert waren, wobei die progredienten Tumore eine hohe Expression von NGFR zeigten, sondern wir konnten auch verdeutlichen, dass die Level beider Marker mit der Expression weiterer Gene korrelierte. Ecad und NGFR sind daher nicht nur Oberflächenmarker, sondern definieren auch molekulare Programme von MHM, die potentiell das Ansprechen auf therapeutische Interventionen bestimmen könnten. Die Transkriptomanalyse von MHM aus unterschiedlichen Lokalisationen und normalem Hirngewebe zeigte zunächst, dass die Tumore hinsichtlich ihrer molekularen Eigenschaften und nicht ihrer Lokalisation gruppierten. Der direkte Vergleich der Tumor-Transkriptome mit denen der Normalkontrollen (Gewebe aus Pons, Cortex und Cerebellum) zeigte weiterhin eine klare Abgrenzung der Tumore aber eine Überlappung von Tumoren mit angrenzendem Normalgewebe. Die mit Ecad und NGFR assoziierten Mechanismen sind gegenläufig, wobei Ecad mit einem proliferativen/Melanocyte-like und NGFR mit einem MRD/stem-like und migratorischen Phänotyp assoziiert zu ein scheint. Der shRNA-vermittelte knockdown von NGFR konnte zeigen, dass der Verlust von NGFR zu einer Reduktion der Zellmigration und korrelierter stromabwärts liegender Gene, wie der Transkriptionsfaktor SOX4 führte. Weiterhin konnten wir zeigen, dass der Ecad Level das Ansprechen von isogenen Melanomzellen auf Dabrafenib (BRAFi) bestimmt, dabei die Ecad Expression die Zellen sensitivierte. Durch einen Vergleich von Tumor vs. Zelllinie und Reportersysemen konnten wir, dass die Ecad Expression unter Zellkulturbedingungen nicht stabil ist. Abschließend konnten wir zeigen, dass der BRAF/NRAS Mutationsstatus MHM nicht nur genetisch sondern auch epigenetisch diskriminierte. Wir konnten durch eine Genom-weite Methylomanalyse 46 differentiell methylierte Positionen finden, die in BRAFV600E/K-mutierten Tumoren gering (hypomethyliert), aber in NRASQ61K/L-mutierten Tumoren stark methyliert (hypermethyliert) waren. Wir konnten so ITGB7 identifizieren, dessen intrakranieller Expression mit einem positiven Gesamtüberleben assoziiert war und die als Indiz für eine Immunzellinfiltration der Tumore diente. Weitere Studien unter Einbezug zusätzlicher Tumore und der Einsatz einer Einzelzell- und räumlich aufgelösten Analyse der MHM vor und nach einer BRAFi-basierten Therapie werden aber notwendig sein, um zu klären wir Ecad und NGFR die Progression und das Ansprechen auf Therapie bestimmen und damit potentielle therapeutische Kontrollpunkte zu identifizieren, um eine intrakranielle Progression zu mildern oder zu verhindern und so die Lebensqualität und das Überleben der Patient*innen mit Melanom zu verbessern.

Publications

• Deciphering mechanisms of brain metastasis in melanoma - the gist of the matter. Molecular Cancer, 17(1).
  Redmer, Torben
  
• Decoding the Role of CD271 in Melanoma. Cancers, 12(9), 2460.
  Vidal, Anna & Redmer, Torben
  
• Decoding molecular programs in melanoma brain metastases. Nature Communications, 13(1).
  Radke, Josefine; Schumann, Elisa; Onken, Julia; Koll, Randi; Acker, Güliz; Bodnar, Bohdan; Senger, Carolin; Tierling, Sascha; Möbs, Markus; Vajkoczy, Peter; Vidal, Anna; Högler, Sandra; Kodajova, Petra; Westphal, Dana; Meier, Friedegund; Heppner, Frank; Kreuzer-Redmer, Susanne; Grebien, Florian; Jürchott, Karsten & Redmer, Torben
  
• Tracking of Melanoma Cell Plasticity by Transcriptional Reporters. International Journal of Molecular Sciences, 23(3), 1199.
  Vidal, Anna & Redmer, Torben