KRAS: novel tricks against an old enemy

Article published in November 2019

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2019.11.1

David Santamaría Velilla

European Institute of Chemistry and Biology (IECB), Inserm U-1218, Bordeaux, France

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KRAS is the most frequently mutated oncogene with particularly high frequency in cancers of the lung, colon and pancreas. KRAS oncogene is associated with poor prognosis and resistance to conventional chemotherapy. Currently, there are no approved therapies for the treatment of these cancers and the identification of an effective treatment is not only a medical but a biological challenge.

La familia de genes RAS (compuesta por H, N y KRAS) es la más frecuentemente mutada en cáncer y su desregulación es la base molecular de un tercio de los tumores humanos (1). Son además un ejemplo paradigmático al ser los primeros oncogenes identificados hace aproximadamente 40 años. Este hecho demostró el origen genético del cáncer e inauguró el concepto posteriormente conocido como medicina personalizada al postular la inhibición oncogénica como una alternativa terapéutica específica, cuya aplicación dependería de las mutaciones precisas presentes en cada paciente. Actualmente, el diagnóstico molecular de determinadas mutaciones oncogénicas y el empleo de terapias dirigidas contra éstas son ya práctica clínica habitual y han revolucionado el tratamiento del cáncer aumentando de forma considerable las tasas de supervivencia. Irónicamente, a pesar de su carácter pionero, casi cuatro décadas después de su descubrimiento aún no se ha desarrollado una terapia dirigida efectiva contra RAS oncogénico. En concreto, nuestro trabajo se centra en KRAS, el miembro de la familia más frecuentemente mutado en cánceres humanos. Nuestros esfuerzos se dirigen a investigar nuevas funciones biológicas y moleculares de este oncogén en el contexto del adenocarcinoma de pulmón (LUAD) con el objeto de identificar nuevas alternativas terapéuticas.

En breve, las proteínas RAS son pequeñas GTPasas localizadas mayoritariamente en la cara interna de la membrana plasmática estando encargadas de la transmisión de estímulos mitogénicos mediados por receptores tirosín quinasa (RTK). En su forma silvestre RAS se encuentra en forma inactiva asociado a GDP. La activación de RTKs dispara un proceso molecular que conlleva la sustitución del GDP por GTP, resultando en la activación de KRAS. Esta es una activación transitoria debida a una actividad GTPasa intrínseca de KRAS resultando en su auto-inactivación. De hecho, las mutaciones oncogénicas en KRAS afectan a residuos esenciales (principalmente en los codones 12 y 61) cuya mutación cancela dicha actividad GTPasa. Estas mutaciones resultan en un elevado tiempo de residencia del GTP y, consecuentemente, en una persistencia de la señalización mitogénica aumentando la división celular. Aquí reside la mayor dificultad para la inhibición terapéutica de KRAS. La mayoría de mutaciones oncogénicas iniciadoras del cáncer resultan en ganancia de función siendo, por tanto, potencialmente posible su inhibición farmacológica. En el caso de RAS la terapia debería ser capaz de restaurar una actividad enzimática lo que resulta considerablemente más complicado. Como alternativa terapéutica, intentar interferir con la unión de GTP resulta bioquímicamente imposible debido a su afinidad picomolar por KRAS y a la concentración micromolar de GTP a nivel intracelular.

El desarrollo de otras opciones ha resultado históricamente igual de infructuoso. Una opción evidente fue interferir con su localización de membrana ya que ésta resulta esencial para ejercer su función biológica y para la cual resulta imprescindible la adición de un grupo farnesil en el extremo C-terminal de KRAS. El uso de inhibidores de la farnesil-transferasa, enzima encargada de realizar esta modificación lipídica, no produjo la inhibición esperada ya que en este contexto KRAS puede resultar geranilado sin diferencias funcionales aparentes (2). Por último, el diseño de inhibidores directos de KRAS ha resultado técnicamente complejo debido a la ausencia de motivos moleculares en su superficie contra los que dirigir la unión de compuestos sintéticos. Como excepción, se acaban de reportar los primeros resultados clínicos basados en un inhibidor específico de la mutación KRASG12C (3). Esta aproximación, a pesar de estar dirigida contra la mutación más abundante en LUAD, es ineficaz contra el resto de mutantes de KRAS por lo que resulta esencial la búsqueda de nuevas opciones terapéuticas.

En nuestro laboratorio estamos intentando optimizar una estrategia ligeramente diferente. Desde hace tiempo existían evidencias experimentales que sugerían la posibilidad de que KRAS pudiera formar un dímero, aunque la relevancia biológica de dicha función no estaba claramente establecida (1). Recientemente, en colaboración con el grupo de P. Jänne (Harvard, USA) hemos demostrado el carácter esencial de dicha interacción. Mediante la modificación de residuos imprescindibles para la dimerización de KRAS hemos probado que su forma monomérica es incapaz de inducir la proliferación tumoral y que, por tanto, su dimerización en la membrana plasmática es una función oncogénica esencial (4). Hay, sin embargo, evidencias bioquímicas en membranas artificiales que sugieren que KRAS carece de capacidad intrínseca de dimerización. Esto sugeriría la existencia de factores proteicos que, actuando como andamios moleculares, pudieran facilitar o estabilizar la dimerización. Nuestros esfuerzos actualmente están encaminados a la identificación y caracterización funcional de dichos factores. A más largo plazo pretendemos identificar compuestos antagonistas de la dimerización que, bien por interacción directa en la superficie de KRAS o al impedir la acción de los co-factores, resultaran en una inhibición tumoral.

Por último, la opción terapéutica más explotada clínicamente es la inhibición de las vías de señalización activadas por KRAS oncogénico, entre las que se encuentran rutas paradigmáticas como MAPK (1). El principal inconveniente terapéutico estriba en el carácter esencial de estas vías ya que resultan igualmente esenciales para la homeostasis del organismo. De hecho, la inactivación genética de la ruta MAPK en modelos de ratón interfiere con la división celular en tejidos normales resultando letal (5). Este hecho ilustra el concepto de “ventana terapéutica”, es decir, qué grado de inhibición de una ruta concreta induce una respuesta terapéutica sin resultar en toxicidad sistémica. Recientemente hemos demostrado que la intensidad de la señal oncogénica mediada por MAPK es un factor determinante en LUAD. En un contexto tumoral, KRAS mutado determina un nivel óptimo de actividad de dicha vía cuantitativamente diferente del utilizado en tejidos normales (6). Nuestros esfuerzos actuales se centran en determinar cuáles son los factores que determinan y/o regulan ese rango o umbral oncogénico con el objetivo de identificar posibles dianas terapéuticas que interfieran con la actividad de MAPK de forma tumor-específica.

 

 Figura David Santamaria

Figura. La interferencia con la dimerización de KRAS oncogénico disminuye la señalización y el crecimiento tumoral (Ambrogio et al, Cell 172: 857-68, 2018).

 

Reference:

(1) Simanshu, DK, Nissley, DV and McCormick, F. (2017) RAS proteins and their regulators in human disease. Cell170:17-33.
(2) Rowell, CA et al (1997) Direct demonstration of geranylgeranylation and farnesylation of Ki-Ras in vivo. J. Biol. Chem. 272: 14093-7.
(3) Canon, J et al (2019) The clinical KRAS(G12C) inhibitor AMG 510 drives anti-tumour immunity. Nature Oct 30. doi: 10.1038/s41586-019-1694-1.
(4) Ambrogio, C et al (2018) KRAS dimerization impairs sensitivity to MEK inhibitors and is essential for oncogenic activity of mutant KRAS. Cell 172: 857-68.
(5) Blasco, RB et al (2011) c-Raf, but not B-Raf, is essential for development of K-Ras oncogene-driven non-small cell lung carcinoma. Cancer Cell 19: 652-63.
(6) Nieto, P et al (2017) A B-Raf kinase inactive mutant induces lung adenocarcinoma. Nature 548: 239-43.

 

 

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Interview

David Santamaría Velilla

European Institute of Chemistry and Biology (IECB), Inserm U-1218, Bordeaux, France

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P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- Yo llegué a la Universidad con un dilema. Soy de aquella generación que pedía juegos de química como regalos de Navidad. Y también de los que se sentaba con toda la familia a ver los documentales de Félix Rodríguez de la Fuente en televisión. Dudaba entre la bata y el monte. En la Universidad unas clases de zoología excesivamente memorísticas y una bioquímica más amena disiparon mis dudas. Ahora me escapo al campo en cuanto tengo ocasión, sólo como entretenimiento obviamente.

P.- ¿Le influyó alguien de forma especial?

R.- Sin duda el catalizador definitivo de mi vocación fue mi periodo de estudiante en prácticas en el CIB (CSIC) en el laboratorio dirigido por Jorge Bernardo Schvartzman, junto con Pablo Hernández y Débora Krimer, donde finalmente acabé realizando mi tesis doctoral sobre replicación del ADN. Para mí fue sin duda un periodo fantástico, revelador, como abrir una ventana de par en par. No sólo me entusiasmó la parte experimental y la posibilidad infinita de hacer preguntas. También el trabajo en equipo, la opción de discutir y confrontar ideas por muy descabelladas que pudieran parecer. Desde entonces tengo clara la importancia de trabajar en un ambiente amable y permisivo sin dejar de lado la exigencia, es decir en un entorno creativo, lo que no siempre es sencillo.

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador? 

R.- Pasión e ilusión, y fundamentalmente creatividad, perseverancia y paciencia. Son términos un tanto en desuso en unos tiempos en lo que se valora la inmediatez, a ser posible, sin esfuerzo. Desde mi punto de vista el empeño requerido se compensa sobradamente con la libertad de decidir a qué dedico mi tiempo y, sobre todo, por la satisfacción que me reporta el finalmente llegar a comprender algo. Ocurre poco, es la única pega.

P.- ¿Cuál consideraría que ha sido el principal avance científico del siglo XX? 

R.- La resolución de la doble hélice del ADN. En el artículo original los autores incluyeron la siguiente frase: “this structure has novel features which are of considerable biological interest”. No creo que nadie pueda cuestionar la importancia y la relevancia de este concepto casi 70 años después.

P.- ¿Cuál es el avance científico que más le ha impresionado? 

R.- Pues está íntimamente ligada a la anterior y es la comprensión y validación del código genético. Durante años la posibilidad de que el ADN fuera portador y transmisor de información fue cuestionada precisamente por su excesiva simplicidad química, Y efectivamente es complejo y simple, a la vez y por las mismas razones, como un buen poema. Esta frase estupenda no es mía desafortunadamente, la leí en un artículo de divulgación del escritor Juan José Millás describiendo a C. elegans como organismo modelo y me pareció de lo más acertada. De hecho, en mi opinión ahí radica el interés y la recompensa de nuestro trabajo, en encontrar la simplicidad dentro de un contexto normalmente complejo, es una tarea fantástica.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España?

R.- Estando fuera de España quizá no sea la persona más autorizada para pronunciarme al respecto. Al menos puedo decir que en mi caso una de las razones de mi partida fue, precisamente, la falta de articulación y consecuentemente de oportunidades, no sólo de la carrera científica en sí misma sino de la planificación y gestión de la financiación, incluso a corto plazo. En cualquier otro ámbito sería incomprensible la postergación o desaparición de convocatorias como desgraciadamente viene siendo habitual en los últimos años.

 

Biography

David Santamaría Velilla

European Institute of Chemistry and Biology (IECB), Inserm U-1218, Bordeaux, France

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David Santamaría recibió su doctorado de la Universidad Autónoma de Madrid en 1999, bajo la supervisión de Jorge B. Schwartzman, estudiando la duplicación del ADN, en concreto las barreras de las horquillas de replicación. Posteriormente se trasladó al laboratorio de Ronald A. Laskey (1999-2003) en el Wellcome/CRC Institute (Cambridge, Reino Unido), donde trabajó en la iniciación de la replicación del ADN y su conexión con el control del ciclo celular. Regresó a España (2003-2016) como científico de plantilla en el grupo de Mariano Barbacid (CNIO, Madrid), donde utilizó modelos genéticos de ratón para realizar un análisis exhaustivo de la familia de quinasas dependientes de ciclina (CDK) así como para identificar nuevas dianas terapéuticas en adenocarcinoma de pulmón. En 2016 se incorporó como jefe de grupo en el IECB (Burdeos, Francia) donde continúa su investigación sobre nuevas vías oncogénicas y mediadores de señalización en el adenocarcinoma de pulmón.

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