Identification of Key Proteins in The Alternative Lengthening of Telomeres (ALT) Pathway

Abstract

[Abstract] Telomeres are protective nucleoprotein structures that maintain chromosomal integrity, and their progressive shortening in somatic cells serves as a barrier to uncontrolled proliferation. To overcome this limit, cancer cells activate telomere maintenance mechanisms (TMMs). While most cancers rely on telomerase reactivation, approximately 10–15% adopt an alternative pathway known as Alternative Lengthening of Telomeres (ALT), an homologous recombination-based mechanism. Despite its clinical and biological relevance, ALT remains insufficiently characterized and lacks targeted therapeutic options. This doctoral dissertation presents an integrative in-silico multi-omics framework to explore the genomic, transcriptomic, proteomic, and metabolomic dimensions of ALT across 32 cancer types. The first study involved a pan-cancer analysis of 411 telomere maintenance (TM) genes, identifying 20 genes, such as TP53, NSMCE2, RAD21, and ATR, with frequent mutations, amplifications, or dysregulation. These genes were enriched in homologous recombination and DNA repair pathways and may serve as candidate biomarkers for ALT activation. The second study focused on 71 proteins associated with ALT-associated promyelocytic leukemia nuclear bodies (APBs), uncovering 13 proteins with high alteration frequencies and functional relevance to telomeric recombination. These included SENP5, TRF1, and RAD52, many of which are involved in SUMOylation, shelterin regulation, and DNA damage response. The final study integrated metabolomics data with previously identified ALT proteins, revealing key pathways, purine metabolism, nicotinate and nicotinamide metabolism, and cysteine/methionine metabolism, supporting ALT activity. Drug repurposing analysis prioritized FDA-approved compounds such as azathioprine, mercaptopurine, and thioguanine as potential inhibitors of ALT-driven tumors. Together, these findings offer the first systems-level model of the ALT pancarcinome. This work advances the understanding of the molecular architecture of ALT and opens new avenues for the development of diagnostic markers and metabolism-based therapies for ALT-positive cancers.[Resumen] Los telómeros son estructuras nucleoproteicas esenciales para la estabilidad del genoma, ya que protegen los extremos de los cromosomas e impiden la activación inapropiada de respuestas al daño en el ADN. Su acortamiento progresivo en células somáticas limita la proliferación celular, actuando como una barrera natural contra la transformación maligna. Sin embargo, las células tumorales desarrollan mecanismos de mantenimiento de telómeros (TMMs) para evadir esta limitación. Aunque la mayoría de los cánceres reactivan la telomerasa, alrededor del 10–15% de los tumores utilizan una vía alternativa conocida como alargamiento alternativo de los telómeros (ALT), basada en recombinación homóloga. A pesar de su importancia biológica y clínica, el mecanismo ALT continúa siendo poco comprendido y no dispone de terapias dirigidas específicas. Esta tesis doctoral propone un marco de análisis in silico basado en enfoques multi-ómicos (genómica, transcriptómica, proteómica y metabolómica) para caracterizar el fenómeno ALT en 32 tipos de cáncer. El primer estudio identificó 20 genes de mantenimiento telomérico con alteraciones recurrentes, como TP53, RAD21 o ATR, involucrados en rutas de recombinación y reparación del ADN. El segundo estudio se centró en cuerpos nucleares PML asociados a ALT (APBs), revelando 13 proteínas clave como SENP5, TRF1 y RAD52, con alteraciones funcionales relevantes. Finalmente, el tercer estudio integró datos metabolómicos, destacando vías como el metabolismo de purinas, nicotinamida y cisteína/metionina, fundamentales para el funcionamiento del ALT. Además, se identificaron compuestos aprobados por la FDA, como la azatioprina, mercaptopurina y tioguanina, con potencial terapéutico contra tumores ALT+. En conjunto, esta investigación constituye el primer modelo integral del pancarcinoma ALT y ofrece nuevas oportunidades diagnósticas y terapéuticas en oncología de precisión. [Resumo] Os telómeros son estruturas nucleoproteicas que protexen os extremos dos cromosomas, mantendo a estabilidade xenómica e evitando respostas aberrantes ao dano no ADN. En células somáticas, o seu acurtamento progresivo actúa como un freo natural á proliferación. Porén, as células canceríxenas activan mecanismos específicos , os chamados mecanismos de mantemento dos telómeros (TMMs), para esquivar esta barreira. Mentres a maioría dos tumores reactivan a telomerasa, entre un 10 e un 15% empregan unha vía alternativa coñecida como alargamento alternativo dos telómeros (ALT), baseada na recombinación homóloga. A pesar da súa relevancia clínica, o ALT continúa sendo pouco comprendido e carece de tratamentos específicos. Esta tese propón un enfoque integrador in silico, baseado en datos multi-ómicos, para estudar en profundidade o fenómeno ALT en 32 tipos de cancro. No primeiro estudo identificáronse 20 xenes de mantemento telomérico alterados con frecuencia, como TP53, RAD21 ou ATR, implicados en procesos de recombinación e reparación do ADN. O segundo estudo centrouse nos corpos nucleares PML asociados a ALT (APBs), detectando 13 proteínas esenciais , entre elas SENP5, TRF1 e RAD52, cun papel clave na dinámica telomérica. O terceiro estudo incorporou a dimensión metabolómica, sinalando rutas como o metabolismo de purinas, nicotinamida e cisteína/metionina como fundamentais para a actividade ALT. Así mesmo, identificáronse fármacos xa aprobados pola FDA , como a azatioprina, mercaptopurina e tioguanina, con potencial terapéutico fronte a tumores ALT+. Esta investigación ofrece unha visión sistémica pioneira do ALT no contexto do cancros humano, abrindo novas vías para o diagnóstico e tratamento personalizado deste subtipo tumoral.