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The overexpression and phosphorylation of the wild type Anaplastic Lymphoma Kinase (ALK) receptor in neuroblastoma has been associated with a worse prognosis for patients suffering from high risk neuroblastoma. Recent evidence has shown that truncated forms of the ALK receptor may be capable of promoting downstream pathways associated with ALK activation and increased cellular proliferation. ALK has been shown to cleave into 220kDa and 140kDa bands in vivo, but the exact location of the cleavage site within the ALK protein has not yet been characterized. By generating amino acid substitutions around the putative cleavage site of ALK, we sought to determine if we could inhibit ALK cleavage. We were able to significantly inhibit cleavage through substitutions in amino acids L655 and F656 surrounding our predicted cleavage site. These amino acids may potentially play a critical role in enzymatic identification of the ALK cleavage site and mediating ALK cleavage. Future studies are necessary in order to determine if ALK constructs with three amino acid substitutions around the cleavage site will show complete ALK cleavage inhibition and determine the relationship between ALK cleavage and activation of downstream pathways.

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Recent whole-exome sequencing studies of hundreds of high-risk neuroblastoma (hNB) patients have identified Anaplastic Lymphoma Kinase (ALK) as the only directly ‘druggable’ target with a significant mutation rate (9%). ALK is a receptor tyrosine kinase whose dysregulation has been implicated as the driver lesion in a variety of cancer types, including Non-Small Cell Lung Cancer (NSCLC) and various paediatric malignancies. As a kinase normally only expressed during early development in the foetal brain, ALK is an ideal therapeutic target and it has proven relatively simple to target therapeutically. However, resistance to ALK-targeted therapy, particularly in ALK+ NSCLC patients has frequently been observed. The majority of the acquired resistance mechanisms noted in NSCLC patients rely on bypass signalling pathways, which are tissue-context dependent. To proactively identify and develop strategies to counter these varied yet expected resistance mechanisms in other ALK-driven tumours, we must gain a better insight of the bypass-track mechanism(s) in a tumour-specific manner. The present study aimed to functionally identify putative resistance mechanisms against ALK inhibitors via extensive CRISPR/Cas9-based genome-wide knockout (GeCKO) or overexpression screens (SAM) in the human neuroblastoma cell line, SHSY-5Y, to develop novel therapeutic strategies for ALK mutant NBs. The GeCKO screen identified a total of 39 genes and miRNAs, and the SAM overexpression screen identified 25 genes that induce resistance to ALK inhibitors. These putative resistance-inducing candidates were then aligned with a publicly available expression dataset of hNB patients (n = 476) to identify those with prognostic significance (Kaplan-Meier event-free survival analysis), specifically those that are indicative of relapse risk. Furthermore, all candidates identified from the screen were individually validated in vitro. Two of the candidates, one from each of the knockout and overexpression screens, were further investigated. Inhibition of hsa-miR-1304-5p, identified from GeCKO screen, induced resistance to ALK inhibitors. Interestingly, interference of has-miR-1304-5p, in the absence of ALK inhibitors, also enabled enhanced cell viability whilst the transfection of its mimic led to a significant reduction of viability across 17 distinct NB cell lines. Through genome-wide cDNA microarrays, in silico predictions, and UTR-luciferase assays, this study identified hsa-miR-1304-5p to be a major regulator of the Ras/MAP Kinase pathway. Overexpression of PIM1, identified from the SAM screen, in NB cell lines induced resistance to ALK inhibitors and this phenotype could be reversed on transducing cells with RNAi against PIM1. Interestingly, inhibition of PIM1 in wild-type cell lines via RNAi or pharmacological compounds led to substantially enhanced potency of ALK inhibitors suggesting PIM1 inhibitors as combinatorial agents with ALK inhibitors for the therapy of treatment-naive hNB. Through protein analysis of all identified downstream targets of PIM1, this study revealed NB-specific actions of the PIM1 oncoprotein that include the inactivation of the pro-apoptotic protein BAD. In summary, this study has identified mechanisms of resistance to ALK inhibitors as well as novel front-line therapeutic strategies for hNB patients that should be implemented clinically.

Anaplastic lymphoma kinase (ALK) is a receptor tyrosine kinase that was first reported as a fusion partner of nucleophosmin in Anaplastic large cell lymphoma in 1994. ALK is involved in myriad of cancers including neuroblastoma which is the most common extracranial solid tumor affecting young children. It arises in the neural crest cells of sympathetic nervous system origin and is responsible for 12% of all childhood cancer deaths. Several point mutations in ALK have been described in both familial and sporadic neuroblastoma. With the aim to understand the role of ALK in neuroblastoma further, we investigated the point mutations in ALK reported in patients. Using cell culture based methods and Drosophila as a model organism; we first characterized these mutations under three broad categories: 1) Ligand independent mutations that were constitutively active, 2) Kinase dead mutation and 3) Ligand dependent mutations that behaved as inducible wild type. Further, to understand the activation mechanism of ALK, we constructed mutations that could potentially alter ALK’s conformation based on the available crystal structure. From the data generated, we were able to provide a new perspective to the activation of full length ALK receptor. This was more in line with activation mechanism of insulin receptor and different from that suggested for ALK fusion protein. From a clinical point of view, all the mutations in the study were blocked to different degrees using the ALK inhibitor, crizotinib. Lastly, we identified potential downstream targets of ALK using phosphoproteomics. From the various targets identified, we focused on STAT3 and confirmed its role as a mediator in ALK initiated MYCN transcription. We showed that STAT3 inhibition led to reduction of MYCN levels and thereby identifying it as a potential therapeutic target in neuroblastoma. Overall, our study highlights clinical relevance of ALK mutations in neuroblastoma and from a basic biology viewpoint; it reveals important mechanistic insight into receptor activation.

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Le neuroblastome (NB) est une tumeur pédiatrique du système nerveux sympathique. Des mutations activatrices du gène ALK (Anaplastic Lymphoma Kinase) ont été identifiées dans 8 % des formes sporadiques et dans des formes familiales de NB. Le gène ALK code pour un récepteur tyrosine kinase appartenant à la famille des récepteurs à l’insuline, principalement exprimé dans le système nerveux central et périphérique. Le récepteur ALK représente une cible thérapeutique pertinente dans ce cancer. Des mutations de novo du gène ALK ont également été rapportées dans une forme syndromique associant NB congénital et encéphalopathie sévère avec dysmorphie du tronc cérébral, suggérant un rôle développemental du gène ALK en plus de son implication dans l’oncogenèse.Dans ce contexte, mon projet de thèse avait pour but de déterminer le rôle du récepteur ALK muté dans l’oncogenèse du NB et le développement, principalement à l’aide de modèles murins originaux obtenus au laboratoire. J’ai ainsi largement caractérisé deux lignées de souris KI (Knock-In) Alk pour les deux mutations les plus fréquemment observées dans le NB: F1174L et R1275Q chez l’homme, correspondant à F1178L et R1279Q chez la souris.Une analyse détaillée de ces deux lignées de souris n’a pas révélé de phénotype majeur chez les souris KI AlkR1279Q hétérozygotes et homozygotes ainsi que chez les hétérozygotes KI AlkF1178L. Par contre, nous avons documenté une forte létalité post-natale des animaux KI AlkF1178L homozygotes et montré que ces nouveaux-nés présentent des troubles majeurs d’alimentation. Les homozygotes KI AlkF1178L phénocopient donc partiellement les patients encéphalopathes. La différence d’effet observé entre les animaux hétérozygotes et homozygotes suggère fortement qu’il existe un seuil d’activation du récepteur Alk compatible avec la survie.Nous avons ensuite exploré le rôle du récepteur ALK muté dans le système nerveux sympathique des souris KI Alkmut. Cette analyse a montré que l’activation du récepteur induit un excès de prolifération des neurones sympathiques de E14.5 à la naissance. Néanmoins, nous n’avons pas observé de NB chez ces animaux. En croisant ces souris avec la lignée TH-MYCN, nous avons documenté une coopération des mutations Alk avec l’oncogène MYCN pour le développement de NB. La comparaison des profils transcriptomiques des tumeurs murines MYCN et MYCN/Alkmut a révélé que l’expression de l’oncogène Ret (codant également un récepteur à activité tyrosine kinase) était fortement induite par l’activation du récepteur Alk. Le traitement des souris par un inhibiteur de l’activité kinase du récepteur Ret a montré une diminution de la taille des tumeurs suggérant que le gène Ret joue un rôle majeur dans l’oncogenèse induite par le récepteur Alk muté. Par ailleurs, l’induction de l’expression du gène RET par le récepteur ALK muté dans les NB a été confirmée dans des lignées et des tumeurs humaines.Afin de déterminer le mécanisme par lequel l’activation du récepteur ALK aboutit à la régulation de l’expression du gène RET des expériences ont été effectuées sur des lignées humaines de NB dans lesquelles le récepteur ALK peut être activé ou inactivé. Ce travail a montré que l’expression du gène RET est dépendante de l’axe ALK-ERK-ETV5. En effet, la modulation de l’activité du récepteur ALK affecte l’expression des gènes ETV5 et RET. Cet effet est dépendant de l’activation de la voie MEK/ERK. Par ailleurs, ETV5 active l’expression du gène RET. Afin de confirmer le rôle de Ret dans l’oncogenèse dépendante du récepteur Alk, nous avons croisé des souris portant une mutation activatrice de Ret avec les souris TH-MYCN. Nous avons ainsi mis en évidence que le récepteur Ret activé coopère avec l’oncogène MYCN dans le développement de tumeurs et que ces tumeurs sont des NB présentant des caractéristiques très semblables à celles des tumeurs MYCN/Alkmut. Le gène Ret apparaît donc comme une cible essentielle du récepteur Alk muté dans l’oncogenèse du NB. / Neuroblastoma (NB) is a pediatric tumor arising from the sympathetic nervous system. Activating mutations of the ALK gene have been observed in around 8 % of sporadic neuroblastoma as well as in familial cases. The ALK gene encodes a tyrosine kinase receptor of the insulin receptor super-family. It is mainly expressed in the central and peripheral nervous system. The ALK receptor represents a therapeutic target in this cancer. De novo ALK mutations have also been reported in a syndrome associating congenital NB and severe encephalopathy with abnormal shape of the brainstem, suggesting a developmental role for the ALK gene in addition to its implication in oncogenesis.In this context, my PhD project was to determine the role of the mutated ALK receptor in NB oncogenesis and in development, mainly with original mouse models obtained in the laboratory. I extensively characterized two knock-in (KI) Alk mouse lines with the two mutations that are most frequently observed in NB: F1174L and R1275Q in human and F1178L and R1279Q in mouse.A detailed analysis of these two mouse lines showed that the KI AlkR179Q heterozygous and homozygous mice as well as the KI AlkF1178L heterozygous mice do not show striking clinical signs. On the contrary, we documented a high postnatal lethality for KI AlkF1178L homozygous mice and showed that these pups presented with a dramatic reduced milk intake. Thus, the KI AlkF1178L homozygous mice partially phenocopy the human patients with encephalopathy. The difference of phenotype between the heterozygous and the homozygous KI AlkF1178L mice highly suggest a threshold of activity of the Alk receptor compatible with survival.We then explored the role of the mutated ALK receptor in the sympathetic nervous system of the KI Alkmut mice. This analysis showed that the activation of the receptor induces an excess of proliferation in sympathetic neurons from E14.5 to birth. However, we could not observe NB in these animals. We next bread these mice with the transgenic TH-MYCN line. We documented cooperation between Alk mutations and the MYCN oncogene to induce NB. Comparison of transcriptomic profiles of MYCN vs MYCN/Alkmut tumors revealed that the expression of the Ret oncogene (encoding a tyrosine kinase receptor) was strongly induced by the activation of the Alk receptor. Besides, the induction of the expression of the RET gene by the mutated ALK receptor in NB was confirmed in human cell lines and tumors.In order to determine the mechanism by which the activation of the ALK receptor regulates RET gene expression, experiments were done on human NB cell lines in which the ALK receptor can be activated or inactivated. This work showed that RET gene expression is dependent of the ALK-ERK-ETV5 axis. Indeed, the modulation of the ALK receptor activity affects gene expression of ETV5 and RET. This effect is dependent of the activation of the MEK/ERK pathway. Besides, ETV5 increases RET gene expression. In order to confirm the role of the Ret receptor in oncogenesis driven by the mutated Alk receptor, we bread mice bearing an activating mutation of the Ret gene with the TH-MYCN mice. We showed that the activated Ret receptor cooperates with the MYCN oncogene in tumor formation and that these tumors are NB presenting with characteristics very close to MYCN/Alkmut tumors. Thus, the Ret gene appears to be an essential target of the mutated Alk receptor in NB oncogenesis.

Nutzergenerierte Geodaten werden für viele Anwendungen auch als alternative Quelle zu den amtlichen Daten genutzt. Das wohl populäreste Projekt, das solche Daten sammelt, ist OpenStreetMap (OSM), dessen umfangreiche Datenbank viele Typen geographischer Informationen abdeckt. Mit zunehmender Vollständigkeit werden diese Daten neben praktischen Anwendungen (Visualisierung, Routing, etc.) auch für die Beantwortung raumwissenschaftlicher Fragestellungen interessant. Das Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung (IÖR) beschäftigt sich beispielsweise seit Jahren mit der Erfassung und Analyse der gebäudebasierten Siedlungsstruktur. Inwiefern der Gebäudedatenbestand von OSM für kleinräumige Analysen der Siedlungsstruktur genutzt werden kann, war bisher offen und wird mit dieser Studienarbeit, gemeinsam betreut von IÖR und dem Institut für Kartographie (TU-Dresden), beantwortet. In der Arbeit erfolgt ein quantitativer Vergleich der Gebäudedaten aus der OSM-Datenbank der mit Gebäudedaten der amtlichen Vermessung, im speziellen der Amtlichen Liegenschaftskarte (ALK) und des Amtlichen Topographisch-Kartographischen Informationssystems (ATKIS). Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf der Untersuchung von Gebäudepolygonen hinsichtlich der Vollständigkeit und Qualität der Gebäudepolygone. Im Rahmen einer Vollständigkeitsanalyse werden verschiedene Bezugsflächen verwendet, auf denen die vergleichenden Ergebnisse visualisiert werden. Für den objektbezogenen Vergleich zwischen den amtlichen und den freien Geodaten werden verschiedene Verschneidungsmethoden herausgearbeitet und hinsichtlich ihrer Aussagekraft bewertet. Stellvertretend für den Gesamtdatenbestand von Deutschland, wurde die Analyse auf ausgewählte Untersuchungsgebiete angewendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Gebäudedaten des OSM-Projektes noch starke Defizite aufweisen, was die Vollständigkeit und die Lagegenauigkeit anbelangt. Unterschiede zeigen sich vor allem hinsichtlich der Gebäudevollständigkeit zwischen Agglomerationsräumen und ländlichen Regionen, die hauptsächlich auf unterschiedlich ausgeprägte Kartieraktivitäten der OSM-Datenerfasser zurückzuführen ist. / User-generated geodata is used in various applications as an alternative solution to the authorative data source. The most popular project, collecting this kind of data, is OpenStreetMap (OSM). A lot of different types of geographical information are covered in this database. In fact of the increasing level of completeness, this data becomes besides practical cases (visualization, routing, etc.) more and more important for answering questions in spatial science. For many years the Leibniz Institute of Ecological Urban and Regional Development (IOER) deals with the analysis of the building related settlement structure. In what way the building data from OSM could be used for small-scale settlement structure analyses is open. This research paper, supervised by the IOER and the Institut of Cartography (TU Dresden), will answer this questions. This student research paper deals with the quantitative comparison between building data from the OSM-database and the authorative building data from the surveying authorities, especially the automated real estate map (ALK) and the Authorative Topographic-Cartographic Information System (ATKIS). The focus of this work is on the analysis of the polygons of buildings. They are examined according to their completeness and their positional consistency. As part of the analysis of completeness, several reference planes are used to visualize the comparative results. Within the geometrical comparison of buildings between authoritative and free geological data different intersection methods are applied and compared according to their significance. The anaylsis was implemented in selected investigation areas, representative for the german nationwide data set. The results illustrate a deficit in the field of building data from OSM, regarding to completeness and positional correctness. Main differences appear especially between urban agglomeration and rural areas. This could be explained by the different mapping behaviour of the members or the therefore required underlying data.

Les analyses moléculaires et la classification des adénocarcinomes bronchiques ont conduit au développement de thérapies ciblées sélectives visant à améliorer le contrôle de la maladie et la survie des patients. ALK (anaplastic lymphoma kinase) est un récepteur tyrosine kinase de la famille des récepteurs de l'insuline. Des réarrangements chromosomiques impliquant le domaine kinase d’ALK sont présents dans environ 3 à 6% des patients atteints d'un adénocarcinome bronchique. La protéine de fusion provoque une activation du domaine kinase de manière constitutive et indépendante du ligand. Lorlatinib est un inhibiteur d’ALK de troisième génération avec une efficacité et une sélectivité optimale, ainsi qu’une pénétration élevée vers le système nerveux central. Lorlatinib peut vaincre la résistance induite par plus de 16 mutations secondaires dans le domaine kinase d’ALK acquises lors de la progression aux ALK TKI de première et deuxième générations. Le traitement par lorlatinib est donc efficace chez les patients préalablement traités par un ALK TKI de première ou deuxième génération, et est actuellement approuvé pour cette indication. Le spectre complet de mécanismes de résistance au lorlatinib chez les patients reste à élucider. Il a récemment été rapporté que l'acquisition séquentielle de deux mutations ou plus dans le domaine kinase, également appelées mutations composées, est responsable de la progression de la maladie chez environ 35% des patients traités par le lorlatinib, principalement en altérant sa liaison au domaine kinase d’ALK. Cependant, l’effet de ces mutations sur la sensibilité aux différents inhibiteurs d’ALK peut varier, et les autres mécanismes de résistance survenant chez la plupart des patients restent inconnus. Mon travail de thèse avait pour but d’explorer la résistance au lorlatinib chez des patients atteints d'un cancer du poumon ALK réarrangé par la mise en œuvre de biopsies spatiales et temporelles et le développement de modèles dérivés de patients. Dans le cadre de l’étude institutionnelle MATCH-R (NCT02517892), nous avons effectué un séquençage à haut débit de l’exome, de l’ARN et ciblé, ainsi qu’un séquençage des ctDNA afin d’identifier les mécanismes de résistance. Nous avons établi des lignées cellulaires dérivées de patients et caractérisé de nouveaux mécanismes de résistance et identifiés de nouvelles stratégies thérapeutiques in vitro et in vivo. Nous avons identifié trois mécanismes de résistance chez quatre patients avec des biopsies appariées. Nous avons étudié l'induction de la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT) par l'activation de SRC dans une lignée cellulaire, dérivée d’un patient, exposée au lorlatinib. Les cellules mésenchymateuses étaient sensibles à l’inhibition combinée de SRC et d'ALK, montrant que même en présence d'un phénotype agressif, des stratégies de combinaison peuvent surmonter la résistance aux ALK TKI. Nous avons identifié deux nouvelles mutations composées du domaine kinase d’ALK, F1174L / G1202R, C1156Y / G1269A survenues chez deux patients traités par le lorlatinib. Nous avons développé des modèles de cellules Ba / F3 exprimant les mutations simples et composées pour étudier leur effet sur la résistance au lorlatinib. Enfin, nous avons caractérisé un nouveau mécanisme de résistance provoqué par la perte de fonction de NF2 au moment de la progression du lorlatinib par l’utilisation de PDX et de lignées cellulaires dérivées de patients, et par CRISPR / CAS9 knock-out de NF2. Nous avons constaté que l'activation de mTOR par la perte de fonction de NF2 provoquait la résistance au lorlatinib et qu'elle pouvait être surmontée par le traitement avec des inhibiteurs de mTOR.Cette étude montre que les mécanismes de résistance au lorlatinib sont plus divers et complexes que prévu. Nos résultats démontrent également comment les études longitudinales de la dynamique tumorale permettent de déchiffrer la résistance aux TKI et d'identifier des stratégies thérapeutiques. / The molecular study and classification of lung adenocarcinomas has led to the development of selective targeted therapies aiming to improve disease control and survival in patients. The anaplastic lymphoma kinase (ALK) is a tyrosine kinase receptor from the insulin tyrosine kinase receptor family, with a physiologic role in neural development. Gene rearrangements involving the ALK kinase domain occur in ~3-6% of patients with lung adenocarcinoma. The fusion protein dimerizes leading to transactivation of the ALK kinase domain in a ligand-independent and constitutive manner. Lorlatinib is a third generation ALK inhibitor with high potency and selectivity for this kinase in vitro and in vivo, and elevated penetrance in the central nervous system. Lorlatinib can overcome resistance mediated by over 16 secondary kinase domain mutations occurring in 13 residues upon progression to first - and second - generation ALK TKI. In addition, treatment with lorlatinib is effective for patients who have been previously treated with a first and a second generation or a second generation ALK TKI upfront and is currently approved for this indication. The full spectrum of biological mechanisms driving lorlatinib resistance in patients remains to be elucidated. It has been recently reported that the sequential acquisition of two or more mutations in the kinase domain, also referred as compound mutations, is responsible for disease progression in about 35% of patients treated with lorlatinib, mainly by impairing its binding to the ALK kinase domain. However, the effect of these compound mutations on the sensitivity to the repertoire of ALK inhibitors can vary, and other resistance mechanisms occurring in most patients are unknown. My PhD thesis aimed at exploring resistance to lorlatinib in patients with ALK-rearranged lung cancer through spatial and temporal tumor biopsies and development of patient-derived models. Within the institutional MATCH-R study (NCT02517892), we performed high-throughput whole exome, RNA and targeted next-generation sequencing, together with plasma sequencing to identify putative genomic and bypass mechanisms of resistance. We developed patient-derived cell lines and characterized novel mechanisms of resistance and personalized treatment strategies in vitro and in vivo. We characterized three mechanisms of resistance in four patients with paired biopsies. We studied the induction of epithelial-mesenchymal transition (EMT) by SRC activation in a patient-derived cell line exposed to lorlatinib. Mesenchymal cells were sensitive to combined SRC and ALK co-inhibition, showing that even in the presence of an aggressive and challenging phenotype, combination strategies can overcome ALK resistance. We identified two novel ALK kinase domain compound mutations, F1174L/G1202R, C1156Y/G1269A, occurring in two patients treated with lorlatinib. We developed Ba/F3 cell models harboring single and compound mutations to study the differential effect of these mutations on lorlatinib resistance. Finally, we characterized a novel mechanism of resistance caused by NF2 loss of function at the time of lorlatinib progression through the development of patients derived PDX and cell lines, and in vitro validation of NF2 knock-out with CRISPR/CAS9 gene editing. Downstream activation of mTOR was found to drive lorlatinib resistance by NF2 loss of function and was overcome by providing treatment with mTOR inhibitors.This study shows that mechanisms of resistance to lorlatinib are more diverse and complex than anticipated. Our findings also emphasize how longitudinal studies of tumor dynamics allow deciphering TKI resistance and identifying reversing strategies.