In Silico Target Determination and Identification of Novel Agents Against Chemoresistant Acute Lymphoblastic Leukemia

Abstract

Akut lenfoblastik lösemi, lenfosit kökenli bir malignitedir. Hayatta kalma oranı yüksek olmasına rağmen nüks ve ilaca direnç tedavide engel teşkil etmektedir. Bu nedenle, kemoterapi ilaçlarına karşı direnç ile ilişkili yeni genlerin tanımlanması ve bu direncin üstesinden gelebilecek olası inhibitörlerin belirlenmesi hayati önem taşımaktadır. Bu çalışma, asparaginaz, prednizolon, daunorubisin ve vinkristin dirençli ve hassas ALL hastalarının gen ekspresyon verilerini içeren GEO veri seti GSE635'in yanı sıra, onbir sağlıklı bireyin ekspresyon verilerini içeren GSE22529'u ve doğrulama seti olarak GSE19143'ü kullanmıştır. RMA normalizasyonu ve LIMMA kullanılarak dosyalar diferansiyel olarak eksprese edilen genler açısından analiz edilmiştir ve bu analizden seçilen iki protein, moleküler yerleştirme işleminden geçirildikten sonra bulunan olası inhibitörlerin GROMACS üzerinde moleküler dinamik simülasyonları yapılmıştır. Bunun sonucunda 1294 tane ekspresyonu anlamlı derecede artmış gen ve 25 merkez gen bulunmakla birlikte, 12 gen dört dirençli tipte ortak çıkmıştır. KEGG yolakları arasında PI3K-Akt ve kanserdeki yolaklarda önemli ölçüde zenginleşmiş gen olduğu görülmüştür. 3556 küçük molekülün iki proteine karşı taranması ve düşük bağlanma enerjili moleküllerin ADMET analizi ile incelenmesinin ardından üç inhibitör adayı ortaya çıkmıştır. Proteinlerden birine karşı MD analizi bağlanma bulgularını doğrulamak için kullanmış ve Eltrombopag'ın daha iyi bir inhibitör olma potansiyeli olduğunu göstermiştir. Ek olarak, Ph+ ALL hücresi SUP-B15 ve Ph- ALL hücresi Jurkat üzerin yapılan sitotoksik analizler benzer etkiler göstermiş ve ayrıca HUVEC hücreleri üzerinde yapılan analizler, ilaçların sağlıklı hücreler üzerinde önemli ölçüde daha az anti-proliferatif etkiye sahip olduğunu ortaya çıkarmıştır. Bu çalışma, kemorezistan ALL için potansiyel ortak hedef genleri ortaya çıkarmakta ve ilacın yeniden kullanılması yoluyla üç potansiyel inhibitör önermektedir.

Acute lymphoblastic leukemia is a malignancy of lymphocyte origin. Although it has high survival rates among children, relapse and drug resistance are still obstacles in treatment. As such, identifying novel genes associated with chemoresistance against first-line treatment drugs and determining possible inhibitors remains crucial. As such, this study utilized a GEO dataset, GSE635, containing gene expression data of asparaginase, prednisolone, daunorubicin and vincristine resistant and sensitive ALL patients, GSE22529 with expression data of eleven healthy subjects, and GSE19143 for validation. Using RMA normalization and LIMMA, the files were analyzed for differentially expressed genes, pathway, and protein-protein interactions. Two proteins selected from this analysis went through molecular docking. Molecular dynamics simulations were done on GROMACS for further validation. 1294 upregulated differentially expressed genes, 25 hub genes, and 12 common genes were identified in resistant ALL types. Among KEGG pathways, PI3K-Akt and pathways in cancer were significantly enriched. 3556 small molecules were screened against two proteins and following ADMET analysis, three possible inhibitor candidates emerged. MD analysis against one of the proteins corroborated the findings, and while results were similar across all three, they pointed to Eltrombopag having better potential. Additional cytotoxic analyses on Ph+ ALL cell line SUP-B15 and Ph- ALL cell line Jurkat demonstrated similar effects, and analysis on HUVEC cells revealed the drugs had significantly less anti-proliferative effects on healthy cells. This study reveals potential common target genes for chemoresistant ALL as well as other novel genes for diagnostic screening, and proposes three potential inhibitors through drug repurposing.