INTEGRATIVE ANALYSIS OF OMICS DATA IN ADULT GLIOMA AND OTHER TCGA CANCERS TO GUIDE PRECISION MEDICINE

Transcriptomic profiling and gene expression signatures have been widely applied as effective approaches for enhancing the molecular classification, diagnosis, prognosis or prediction of therapeutic response towards personalized therapy for cancer patients. Thanks to modern genome-wide profiling technology, scientists are able to build engines leveraging massive genomic variations and integrating with clinical data to identify “at risk” individuals for the sake of prevention, diagnosis and therapeutic interventions. In my graduate work for my Ph.D. thesis, I have investigated genomic sequencing data mining to comprehensively characterise molecular classifications and aberrant genomic events associated with clinical prognosis and treatment response, through applying high-dimensional omics genomic data to promote the understanding of gene signatures and somatic molecular alterations contributing to cancer progression and clinical outcomes. Following this motivation, my dissertation has been focused on the following three topics in translational genomics. 1) Characterization of transcriptomic plasticity and its association with the tumor microenvironment in glioblastoma (GBM). I have integrated transcriptomic, genomic, protein and clinical data to increase the accuracy of GBM classification, and identify the association between the GBM mesenchymal subtype and reduced tumorpurity, accompanied with increased presence of tumor-associated microglia. Then I have tackled the sole source of microglial as intrinsic tumor bulk but not their corresponding neurosphere cells through both transcriptional and protein level analysis using a panel of sphere-forming glioma cultures and their parent GBM samples.FurthermoreI have demonstrated my hypothesis through longitudinal analysis of paired primary and recurrent GBM samples that the phenotypic alterations of GBM subtypes are not due to intrinsic proneural-to-mesenchymal transition in tumor cells, rather it is intertwined with increased level of microglia upon disease recurrence. Collectively I have elucidated the critical role of tumor microenvironment (Microglia and macrophages from central nervous system) contributing to the intra-tumor heterogeneity and accurate classification of GBM patients based on transcriptomic profiling, which will not only significantly impact on clinical perspective but also pave the way for preclinical cancer research. 2) Identification of prognostic gene signatures that stratify adult diffuse glioma patientsharboring1p/19q co-deletions. I have compared multiple statistical methods and derived a gene signature significantly associated with survival by applying a machine learning algorithm. Then I have identified inflammatory response and acetylation activity that associated with malignant progression of 1p/19q co-deleted glioma. In addition, I showed this signature translates to other types of adult diffuse glioma, suggesting its universality in the pathobiology of other subset gliomas. My efforts on integrative data analysis of this highly curated data set usingoptimizedstatistical models will reflect the pending update to WHO classification system oftumorsin the central nervous system (CNS). 3) Comprehensive characterization of somatic fusion transcripts in Pan-Cancers. I have identified a panel of novel fusion transcripts across all of TCGA cancer types through transcriptomic profiling. Then I have predicted fusion proteins with kinase activity and hub function of pathway network based on the annotation of genetically mobile domains and functional domain architectures. I have evaluated a panel of in -frame gene fusions as potential driver mutations based on network fusion centrality hypothesis. I have also characterised the emerging complexity of genetic architecture in fusion transcripts through integrating genomic structure and somatic variants and delineating the distinct genomic patterns of fusion events across different cancer types. Overall my exploration of the pathogenetic impact and clinical relevance of candidate gene fusions have provided fundamental insights into the management of a subset of cancer patients by predicting the oncogenic signalling and specific drug targets encoded by these fusion genes. Taken together, the translational genomic research I have conducted during my Ph.D. study will shed new light on precision medicine and contribute to the cancer research community. The novel classification concept, gene signature and fusion transcripts I have identified will address several hotly debated issues in translational genomics, such as complex interactions between tumor bulks and their adjacent microenvironments, prognostic markers for clinical diagnostics and personalized therapy, distinct patterns of genomic structure alterations and oncogenic events in different cancer types, therefore facilitating our understanding of genomic alterations and moving us towards the development of precision medicine

miR-196b target screen reveals mechanisms maintaining leukemia stemness with therapeutic potential.

We have shown that antagomiR inhibition of miRNA miR-21 and miR-196b activity is sufficient to ablate MLL-AF9 leukemia stem cells (LSC) in vivo. Here, we used an shRNA screening approach to mimic miRNA activity on experimentally verified miR-196b targets to identify functionally important and therapeutically relevant pathways downstream of oncogenic miRNA in MLL-r AML. We found Cdkn1b (p27Kip1) is a direct miR-196b target whose repression enhanced an embryonic stem cell–like signature associated with decreased leukemia latency and increased numbers of leukemia stem cells in vivo. Conversely, elevation of p27Kip1 significantly reduced MLL-r leukemia self-renewal, promoted monocytic differentiation of leukemic blasts, and induced cell death. Antagonism of miR-196b activity or pharmacologic inhibition of the Cks1-Skp2–containing SCF E3-ubiquitin ligase complex increased p27Kip1 and inhibited human AML growth. This work illustrates that understanding oncogenic miRNA target pathways can identify actionable targets in leukemia

Structured penalized regression for drug sensitivity prediction

Large-scale {\it in vitro} drug sensitivity screens are an important tool in personalized oncology to predict the effectiveness of potential cancer drugs. The prediction of the sensitivity of cancer cell lines to a panel of drugs is a multivariate regression problem with high-dimensional heterogeneous multi-omics data as input data and with potentially strong correlations between the outcome variables which represent the sensitivity to the different drugs. We propose a joint penalized regression approach with structured penalty terms which allow us to utilize the correlation structure between drugs with group-lasso-type penalties and at the same time address the heterogeneity between omics data sources by introducing data-source-specific penalty factors to penalize different data sources differently. By combining integrative penalty factors (IPF) with tree-guided group lasso, we create the IPF-tree-lasso method. We present a unified framework to transform more general IPF-type methods to the original penalized method. Because the structured penalty terms have multiple parameters, we demonstrate how the interval-search Efficient Parameter Selection via Global Optimization (EPSGO) algorithm can be used to optimize multiple penalty parameters efficiently. Simulation studies show that IPF-tree-lasso can improve the prediction performance compared to other lasso-type methods, in particular for heterogenous data sources. Finally, we employ the new methods to analyse data from the Genomics of Drug Sensitivity in Cancer project.Comment: Zhao Z, Zucknick M (2020). Structured penalized regression for drug sensitivity prediction. Journal of the Royal Statistical Society, Series C. 19 pages, 6 figures and 2 table

Probing entry inhibitors' activity on HIV and development of new fusion inhibitors : integrating evolutionary biology with virology

Tese de doutoramento, Farmácia (Microbiologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2011The general aims of this thesis were: 1) to examine the C2, V3 and C3 envelope regions ofHIV-1 and HIV-2 at the molecular, evolutionary and structural levels; 2) to compare HIV-1and HIV-2 susceptibility to entry inhibitors and assess their potential value in HIV-2therapy; 3) to produce a new fusion inhibitor peptide using evolutionary biology basedstrategies.In the first study (Chapter 2), HIV-1 and HIV-2 were compared at the molecular,evolutionary and structural levels in the C2, V3 and C3 envelope regions. We identifiedsignificant structural and functional constrains to the diversification and evolution of C2,V3 and C3 in the HIV-2 envelope but not in HIV-1. In particular, we found that V3 in HIV-2is less exposed and more conserved than in HIV-1, suggesting fundamental differences inthe biology and infection of these viruses as well as in their susceptibility to entryinhibitors.In the second study (Chapter 3) we measured the baseline susceptibility of HIV-1 and HIV-2primary isolates to different fusion inhibitors and coreceptor antagonists, includingenfuvirtide (T-20) and maraviroc (MVC). MVC inhibited HIV-2 R5 variants at significantlyhigher IC90 concentrations than HIV-1 variants. Moreover, as previously found in HIV-1,susceptibility of HIV-2 R5 variants to MVC was inversely related with CD4+ T cell counts attime of virus isolation. These results suggest that the structure of the envelope complex ofR5 variants changes along the course of infection. More importantly, the results call fornew clinical studies to evaluate the efficacy of MVC in HIV-2 infection and to determine itsbest therapeutic dosage in early and late stage disease. We also provide definitiveevidence demonstrating that T-20 is not useful for HIV-2 therapy.In the final study (Chapter 4), we designed a new HIV fusion inhibitor peptide (P3) basedon the ancestral sequences of the HIV-2 and SIV envelope genes. P3 has an a-helixstructure as demonstrated by circular dichroism. It has broad antiviral activity at thenanomolar range against HIV-1 and HIV-2 primary isolates, including HIV-1 variantsresistant to T-20. Binding ELISA assays and selection of resistant mutants suggest that P3prevents viral fusion by binding to the transmembrane protein in the HR1 region. Thesestudies provide proof of concept that viable antiviral peptides can be constructed usingevolutionary biology strategies. Such strategies should be explored to enhance theproduction of peptide drugs and vaccines.O Vírus da Imunodeficiência Humana do tipo 1 e do tipo 2 (VIH-1 e VIH-2) são os agentes etiológicos do Síndrome de Imunodeficiência Adquirida (SIDA). Embora sejam semelhantes na sua organização estrutural e genómica, estes lentivírus humanos apresentam características antigénicas distintas e partilham uma semelhança genética de apenas 50%. Enquanto o VIH-1 é responsável pela pandemia mundial, a infecção pelo VIH-2 localiza-se sobretudo na África Ocidental, em alguns países europeus como Portugal e França, e na Índia. A infecção pelo VIH-2 tem melhor prognóstico, a progressão para a doença é mais lenta e há melhor controlo imunológico do que na infecção pelo VIH-1. Ao contrário do VIH-1, o arsenal terapêutico actualmente disponível para tratar a infecção por VIH-2 é reduzido. Os fármacos antiretrovirais em uso foram especificamente desenvolvidos para o VIH-1 e, consequentemente, a sua actividade pode ser reduzida ou nula no VIH-2. Este é o caso concreto dos inibidores não nucleosídicos da transcriptase reversa e de alguns inibidores da protease. Neste contexto, os inibidores de entrada poderão ser úteis para tratar a infecção por VIH-2. Contudo, a susceptibilidade dos isolados primários de VIH-2 aos inibidores de entrada é actualmente desconhecida. A susceptibilidade do VIH aos inibidores de entrada é determinada pela qualidade da interacção do vírus com os receptores celulares. O VIH-1 e VIH-2 são substancialmente diferentes a este nível. Por exemplo, o VIH-2 pode ligar-se ao co-receptor CCR5 independentemente do receptor CD4 e da região V3 do invólucro. Por outro lado, as regiões C2, V3 e C3 do VIH-2 são substancialmente diferentes do VIH-1 a nível antigénico. Colectivamente, estes dados indicam que a estrutura e conformação das glicoproteínas de superfície do VIH-1 e VIH-2 são substancialmente diferentes e sugerem que a susceptibilidade e resistência dos dois tipos de vírus aos inibidores de entrada podem também ser diferentes. Os principais objectivos desta tese foram: 1) analisar as características moleculares, estruturais e evolutivas das regiões C2, V3 e C3 no VIH-1 e VIH-2; 2) comparar a susceptibilidade do VIH-1 e VIH-2 aos inibidores de entrada e avaliar o seu potencial terapêutico na infecção por VIH-2; 3) produzir um novo inibidor de fusão para o VIH-2. Para melhor compreender as potenciais diferenças destes dois vírus na resposta aos inibidores de entrada começámos por analisar as características moleculares, estruturais e evolutivas da região V3 e as regiões circundantes C2 e C3, num número significativo de vírus VIH-1 e VIH-2 isolados em Portugal e noutras regiões do globo, com recurso a diferentes metodologias de biologia evolutiva e computacional (Capitulo 2). Apesar da menor variabilidade das 3 regiões no VIH-2, verificámos que a região C3 está sob forte selecção positiva e encontra-se exposta à superfície sugerindo que, tal como no VIH-1, esta região poderá constituir um domínio neutralizante. No entanto, ao contrário do VIH-1, a maioria das mutações adaptativas no VIH-2 são prejudiciais e levam à extinção das linhagens virais pelo que o efeito final é um forte constrangimento à variabilidade das regiões analisadas. Ao contrário do VIH-1, verificámos que a ansa V3 do VIH-2 se encontra oclusa no complexo glicoproteico do invólucro, numa conformação que parece ser estabilizada por interacções que mantém com alguns resíduos da regiões C2 e C3. Estes resultados são consistentes com o facto de a V3 não ser imunodominante no VIH-2, ficando assim mais protegida da resposta imunitária e das eventuais mutações que dela resultam. A forte conservação da V3, da C2 e da C3 também é consistente com a sua potencialmente importante actividade imunosupressora. Em conclusão, este primeiro estudo permitiu caracterizar algumas das características estruturais e funcionais que distinguem as glicoproteínas do invólucro do VIH-1 e do VIH-2 e que estão associadas às diferentes características biológicas e fenotípicas destes dois vírus. Estes dados podem ter impacto na resposta dos dois vírus aos inibidores de entrada (analisado no Capítulo 3) e no desenvolvimento de novas vacinas. No segundo estudo (Capítulo 3) comparámos a actividade antiviral dos antagonistas dos coreceptores (AMD3100, TAK-779 e maraviroc) e dos inibidores de fusão (T-20 e T-1249) entre um grupo de 20 isolados de VIH-2 (19 isolados primários + um isolado laboratorial) e nove isolados de VIH-1 (sete isolados primários + dois isolados laboratoriais). Verificámos que a sensibilidade ao AMD3100 e ao TAK-779 é semelhante no VIH-1 e o VIH-2. No entanto, o perfil da curva dose-resposta do maraviroc (MVC) obtido para os isolados R5 foi diferente nos dois tipos de vírus. No VIH-2 os valores de IC90 foram significativamente mais elevados do que no VIH-1; por outro lado, os declives da curva dose-resposta foram mais baixos no VIH-2 do que no VIH-1. Colectivamente, estes resultados sugerem que poderão ser necessárias concentrações mais elevadas de MVC para tratar os doentes infectados pelo VIH-2. Adicionalmente, encontrámos uma correlação forte e de sentido inverso entre as susceptibilidade do VIH-2 ao MVC e o número de células T CD4+ dos doentes quando os vírus foram isolados. Vírus isolados em doentes em fase de SIDA foram menos susceptíveis ao MVC do que os vírus isolados em doentes com uma contagem de células T CD4+ superior a 200 células/ul. Ao contrário do VIH-1 não encontrámos qualquer correlação entre a carga da V3 e a susceptibilidade dos isolados R5 de VIH-2 ao MVC. De um modo geral, os nossos resultados sugerem que são necessários ensaios clínicos para avaliar a efectividade do MVC na infecção pelo VIH-2, determinar a dose terapêutica mais adequada e esclarecer se é necessário fazer um ajuste de dose de acordo com a fase da doença. Adicionalmente, e uma vez que isolados VIH-2 X4 e populações duplas/mistas são totalmente ou parcialmente resistentes ao MVC, é de extrema importância o desenvolvimento de um ensaio de tropismo (genotípico e/ou fenotípico) para o VIH-2 de modo a determinar o tropismo antes do início da terapia com MVC. Sem o conhecimento prévio do tropismo viral, o tratamento com MVC poderá seleccionar espécies X4 minoritárias que estão associadas a maior resistência à neutralização e uma progressão mais rápida da doença. No que diz respeito aos inibidores de fusão, verificámos que o T-20 tem actividade reduzida no VIH-2, confirmando estudos anteriores realizados com dois isolados laboratoriais. Por outro lado, observámos uma elevada susceptibilidade deste vírus ao T- 1249, indicando que os inibidores de fusão são potencialmente eficazes na infecção pelo VIH-2. Assim, o desenvolvimento de um novo inibidor de fusão do VIH-2 foi o objectivo do último estudo desta tese (Capítulo 4). No Capítulo 4, desenvolvemos novos péptidos inibidores de fusão a partir da reconstrução de sequências ancestrais da glicoproteína gp36 do invólucro de VIH-2 e de Vírus de Imunodeficiência dos Símios (VIS). Com esta abordagem inovadora pretendemos incorporar a história evolutiva dos vírus na sequência dos péptidos e desta forma melhorar a tolerância destas moléculas aos polimorfismos naturais da sua região alvo bem como às mutações de resistência seleccionadas na sua presença. Obteve-se um péptido ancestral (P3) constituído por 34 aminoácidos, cuja sequência corresponde às posições homólogas 628 – 661 da proteína Env do isolado VIH-1 HXB2 (ou 623 – 656 do isolado VIH-2 ROD). A sequência do P3 difere em 21 aminoácidos da sequência consenso de VIH-1, 14 aminoácidos da sequência do T-20 e 6 aminoácidos da sequência consenso de VIH-2. Ao contrário da natureza não-estruturada do T-20, o P3 tem uma conformação típica em hélice-a, o que lhe poderá conferir maior a estabilidade contra a degradação proteolítica, bem como maior afinidade para a região alvo. Por outro lado, o P3 foi facilmente solúvel em soluções aquosas o que é uma vantagem num futuro desenvolvimento de uma fórmula farmacêutica. O P3 demonstrou ter uma forte actividade antiviral contra isolados primários e laboratoriais de VIH-1 e VIH-2 (IC50 médio, 11 nM para o HIV-1 e 63.8 nM para o HIV-2), incluindo variantes resistentes ao T-20 (IC50, 0.15 – 11.8 nM). Através da passagem consecutiva de vírus em cultura na presença do péptido, foi seleccionada uma mutação de resistência na região HR1 da gp41 (VIH-1), a qual é responsável pela redução da susceptibilidade do VIH-1 ao P3 em 120x. Nas mesmas condições, e após 60 dias em cultura, não foi possível seleccionar mutações de resistência ao P3 no VIH-2. Estes resultado, em conjugação com a sua forte ligação à glicoproteína transmembranar de um isolado de VIH-2, indicam que, tal como outros péptidos baseados na região HR2 (T-20, T- 1249), o P3 inibe a entrada do VIH pela interacção com a região HR1 da gp41 e sugerem que a barreira genética para a resistência ao P3 é significativamente superior no VIH-2 do que no VIH-1. Neste estudo demonstrámos ainda que o P3 é significativamente menos antigénico do que o T-20 nos doentes infectados pelo VIH-1 o que poderá traduzir-se numa maior duração da eficácia clínica do P3 em comparação com o T-20. Os resultados obtidos com o P3 demonstram pela primeira vez que é possível desenvolver péptidos com actividade antiviral significativa utilizando metodologias de biologia evolutiva, pelo que esta abordagem poderá ser explorada no futuro para a produção de medicamentos peptídicos e, eventualmente, de vacinas

Similarity-based virtual screening using 2D fingerprints

This paper summarises recent work at the University of Sheffield on virtual screening methods that use 2D fingerprint measures of structural similarity. A detailed comparison of a large number of similarity coefficients demonstrates that the well-known Tanimoto coefficient remains the method of choice for the computation of fingerprint-based similarity, despite possessing some inherent biases related to the sizes of the molecules that are being sought. Group fusion involves combining the results of similarity searches based on multiple reference structures and a single similarity measure. We demonstrate the effectiveness of this approach to screening, and also describe an approximate form of group fusion, turbo similarity searching, that can be used when just a single reference structure is available