Importance of the TP53 Family and the DNA Damage Repair Machinery in Overcoming Targeted Therapy Resistance in Malignant Melanoma

Abstract

The skin cancer melanoma is known for its aggressive nature and high mortality rate when metastasized. While there has been significant advancement in using mitogen-activated protein kinase (MAPK) inhibitors (MAPKi) to target melanoma cells and combat metastasis, most patients ultimately experience relapse due to different resistance mechanisms. Despite the positive impact of immunotherapy on the prognosis of melanoma patients, some individuals show no response to these therapeutic drugs. Consequently, it becomes crucial to unravel the molecular mechanisms behind acquired resistance to targeted treatments and explore innovative therapeutic approaches for these patients. In the first part of our study, we aimed to uncover the role of the p53 target gene CDKN1A/p21 in the response of melanoma cells to v-raf murine sarcoma viral oncogene homolog B1 (BRAF) inhibitors (BRAFi). Our findings reveal that activation of p53 enhances the sensitivity of melanoma cells to BRAFi in a synergistic manner, exclusively in cells exhibiting high expression levels of CDKN1A/p21. Similarly, high expression of CDKN1A/p21 correlates with a more favorable response to the mouse double minute 2 (MDM2) inhibitor (MDM2i) Nutlin-3 compared to cells with low CDKN1A/p21 expression. These results suggest that the effectiveness of targeted therapies (such as BRAFi and MDM2i) in melanoma cells correlates with the expression levels of the p21 protein in the cells. Furthermore, our study uncovers that p53 negatively regulates the expression of the p53 family member p73, however p73 does not appear to influence p53 expression. These discoveries offer new potential strategies for improving the treatment of melanoma patients with elevated basal p21 levels. Specifically, combination therapies utilizing p53 activators, which further increase p21 expression levels, can enhance the efficacy of BRAFi. Additionally, the data suggest that the expression and induction level of p21 could serve as a predictive biomarker in melanoma patients, enabling the prognosis of treatment outcomes with p53 activators and BRAFi. In the second part of the project, the focus shifted towards targeting the DNA repair pathway as a potential therapy against melanoma, particularly in the case of melanoma cells resistant to MAPKi. We explored the use of poly adenosine diphosphate (ADP) ribose polymerase (PARP) inhibitors (PARPi) for this purpose. Our findings indicate that melanoma cells resistant to MAPKi exhibit increased sensitivity to PARPi treatment, facilitated by decreased ataxia-telangiectasia mutated (ATM) basal expression, an important DNA damage sensor. As a result, these resistant melanoma cells demonstrate an impaired ability to detect and repair DNA double strand breaks through the homologous recombination repair (HRR) pathway, which can be induced by PARPi. Additionally, we discovered that inhibiting the MAPK pathway induces a state of HRR deficiency (HRD) in melanoma cells, regardless of their sensitivity to MAPKi. This led to a synthetic lethal interaction when combining MAPK inhibition with PARPi, resulting in a significant reduction in melanoma cell growth both in vitro and in vivo. In the third part of the project, we were interested in the role of PARP1 as a predictive biomarker to forecast PARPi therapy response as well as progression and metastatic potential of melanomas. We could show that high PARP1 expressing melanoma cells are extremely sensitive to PARPi treatment due to a higher PARP trapping effect, and thereby increased cell death. Moreover, we found that PARP1 expression positively correlates with the invasiveness and metastatic potential of melanoma cells, and that PARP1 is low expressed in non-malignant skin cells. Most strikingly, we found that high PARP1 expression goes along with significantly decreased overall survival probability of metastasized late-stage melanoma patients. With this, we propose that PARP1 might be used as a potential biomarker to predict PARPi therapy response and that especially the late-stage melanoma patients would benefit from the therapy with PARPi.

Dissertation ist gesperrt bis 25.10.2025 !

Das maligne Melanom ist eine sehr aggressive Form von Hautkrebs mit einer hohen Sterblichkeitsrate bei Patienten, die an Metastasen leiden. Trotz der großen Fortschritte, die bei der Bekämpfung des metastasierten Melanoms mit Hilfe von MAPK Inhibitoren (MAPKi) erzielt wurden, kommt es bei den meisten Patienten aufgrund verschiedener Resistenzmechanismen zu einem Rezidiv. Auch wenn der Einsatz der Immuntherapie die Prognose von metastasierten Melanompatienten verbessert hat, sprechen einige Patienten überhaupt nicht auf immuntherapeutische Medikamente an. Daher ist es von größter Bedeutung, die molekularen Mechanismen der erworbenen Resistenz gegen zielgerichtete Therapien zu entschlüsseln und neue therapeutische Strategien für diese Patienten zu finden. Im ersten Teil dieser Studie haben wir versucht, die Rolle des p53 assoziierten Gens CDKN1A/p21 in der Sensitivität von Melanomzellen auf BRAF Inhibitoren (BRAFi) zu entschlüsseln. Wir zeigen, dass die Aktivierung von p53 die Sensitivität gegenüber BRAFi auf synergistische Weise ausschließlich in Zellen mit einer hohen Expression von CDKN1A/p21 erhöht. In ähnlicher Weise geht eine hohe Expression von p21 mit einer besseren Reaktion auf MDM2-Inhibitoren einher. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Sensitivität von Melanomzellen gegenüber zielgerichteten Therapien mit der Proteinexpression von p21 in den Zellen korreliert ist. Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass p53 die Expression des p53 Familienmitglieds p73 negativ reguliert, p73 scheint jedoch keinen Einfluss auf die p53 Expression zu haben. Diese Ergebnisse bieten neue potenzielle Strategien für die Verbesserung der Behandlung von Melanompatienten mit hoher basaler p21 Expression mit BRAFi, indem die Wirksamkeit der Behandlung durch Kombinationstherapien mit p53 aktivierenden Substanzen erhöht wird, die in der Lage sind, die p21 Expression weiter zu steigern. Darüber hinaus deuten die Daten darauf hin, dass die Expressions- und Induktionswerte von p21 als prädiktiver Biomarker bei Melanompatienten verwendet werden könnten, um das Ergebnis einer Behandlung mit p53-aktivierenden Substanzen und BRAFi vorherzusagen. Im zweiten Teil des Projekts konzentrierten wir uns auf die Regulation des DNA-Reparaturweg als Melanomtherapie, insbesondere bei MAPKi resistenten Melanomzellen, durch den Einsatz von PARP Inhibitoren (PARPi). Wir fanden heraus, dass MAPKi resistente Melanomzellen besonders empfindlich auf die Behandlung mit PARPi reagieren, da sie eine geringere basale Expression des DNA-Schadenssensors ATM aufweisen. Folglich haben MAPKi resistente Melanomzellen eine verringerte Erkennung von DNA-Doppelstrangbrüchen, die durch PARPi verursacht werden. Darüber hinaus zeigen wir, dass die Hemmung des MAPK-Signalwegs in Melanomzellen unabhängig von ihrem Resistenzstatus gegenüber MAPKi einen homologen Rekombinationsreparatur defizienten (HRD) Phänotyp hervorruft. Die MAPK Inhibition in Kombination mit PARPi führt zu einer synthetisch letalen Interaktion, die das Wachstum von Melanomzellen in vitro und in vivo deutlich reduziert. Im dritten Teil des Projekts interessierten wir uns für die Rolle von PARP1 als prädiktiver Biomarker zur Vorhersage des Ansprechens auf eine PARPi-Therapie sowie des Fortschreitens und des Metastasierungspotenzials von Melanomen. Wir konnten zeigen, dass Melanomzellen mit hoher PARP1 Expression sehr gut auf eine PARPi-Behandlung reagieren, da die Behandlung zu einem höheren PARP-Trapping-Effekt und damit einem erhöhten Zelltod führt. Darüber hinaus fanden wir heraus, dass die PARP1 Expression positiv mit der Invasivität und dem metastatischen Potenzial von Melanomzellen korreliert, und dass PARP1 in nicht-malignen Hautzellen nur gering exprimiert wird. Besonders auffallend ist, dass eine hohe PARP1 Expression mit einer deutlich geringeren Überlebenswahrscheinlichkeit von Patienten mit metastasiertem Melanom im Spätstadium einhergeht. Damit schlagen wir vor, dass PARP1 als potenzieller Biomarker für die Ansprechrate auf eine PARPi-Therapie verwendet werden könnte und dass insbesondere Melanompatienten im Spätstadium möglicherweise von einer PARPi-Therapie profitieren.