LKB1/ AMPK / TSC2 signaling pathway alterations in non-small-cell-lung-carcinoma

Abstract

El gen supresor tumoral LKB1/STK11b, codifica una serina/treonina quinasa. Las mutaciones de línea germinal en LKB1 están asociadas al síndrome de Peutz-Jeghers (PJS), trastorno dominante autosómico caracterizado por el crecimiento de pólipos en el tracto gastrointestinal, y depósitos de melanina mucocutánea, aumentando el riesgo de ciertos cánceres, incluido el de pulmón. El locus de PJS se encuentra situado en el cromosoma 19p13.3 y el gen responsable fue identificado como LKB1. Las mutaciones del gen LKB1 también están asociadas a los adenocarcinomas de pulmón, ocurren aproximadamente en un tercio de los tumores primarios y en la mitad de las líneas celulares de adenocarcinoma de pulmón, implicando a LKB1 en la patogénesis del cáncer de pulmón. Estudios recientes sugieren que la vía de señalización de LKB1 juega un papel en la protección de las células frente a la apoptosis, en respuesta a niveles de energía o nutrientes bajos, lográndose en parte a través de la supresión de la actividad de mTOR. Hay evidencias en la bibliografía que demuestran que LKB1 activa al complejo heterotrimerico AMPK, formado por tres subunidades, una catalítica (α) y dos reguladoras (β y γ). AMPK es un sensor de energía celular que contribuye a regular el balance energético y la ingesta calórica en la célula. Posteriormente, AMPK fosforila a TSC2. El heterodímero TSC1-TSC2 actúa para inhibir la actividad de mTOR, que es esencial para el control del crecimiento celular y la proliferación. Así, LKB1 funciona como un regulador negativo de mTOR. Está demostrado que LKB1 también regula 11 de las 12 quinasas de la subfamilia de quinasas AMPK in vitro, sugiriendo que una de las funciones del gen supresor LKB1 podría ser la regulación de la vía de señalización de AMPK. Por tanto, LKB1 podría ser un blanco potencial para el tratamiento de cáncer y trastornos metabólicos. Nuestros principales objetivos fueron: ▪ Determinar la frecuencia de alteraciones genéticas y epigenéticas en la vía de señalización LKB1/AMPK/TSC2 en CPCNP, en un panel de 23 líneas celulares (4 líneas celulares epiteliales normales bronquiales inmortalizadas con SV40 y 19 líneas celulares de CPCNP). ▪ Estudiar el estado de metilación de 4 quinasas de la subfamilia de quinasas AMPK: BRSK1, BRSK2, MARK1 MARK4 en 23 líneas celulares. ▪ Examinar la vía LKB1/BRSK2. ▪Analizar el estado de metilación de BRSK2 en 58 FFIP de pacientes con CPCNP. ▪ Determinar el impacto de la pérdida de LKB1 en líneas celulares de CPCNP. Las principales conclusiones fueron: ▪ Las mutaciones de LKB1 no se limitan a los adenocarcinomas, también ocurren en otro subtipo de CPCNP, los carcinomas de células grandes. No se encontró metilación en el promotor de LKB1 en ninguna de las líneas celulares de cáncer pulmón analizadas en este estudio. ▪ No se detectaron mutaciones ni ningún grado de metilación en los distintos componentes estudiados de AMPK y TSC en las 23 líneas celulares analizadas. ▪ De la subfamilia de quinasas de AMPK analizadas, el estado de metilación del promotor BRSK2 representa el de mayor porcentaje: ~ 26% de las líneas celulares y 25,8% del grupo de 58 FFIP de pacientes con CPCNP. ▪ El estado de metilación de BRSK2 se correlaciona significativamente con cuatro parámetros clinicopatológicos: estadio tumoral (P = 0, 025), histología (P = 0, 001), tamaño tumoral (P = 0, 073) y nódulos afectados (P = 0, 04), sugiriendo que el estado de metilación del promotor BRSK2 podría utilizarse como un nuevo biomarcador en la progresión del cáncer de pulmón. ▪ La interrupción de la vía LKB1/BRSK2 podría ser un importante mecanismo molecular, durante el desarrollo del cáncer de pulmón.

LKB1, also known as STK11b, is a serine/threonine kinase that functions as a suppressor of tumor growth. Germ line mutations in LKB1 are associated with the Peutz-Jeghers syndrome (PJS), an autosomal dominant disorder characterized by benign hemartomas of the gastrointestinal tract and mucocutaneous melanin deposits and an increased risk of certain cancers, including lung. The main PJS locus has been mapped to chromosome 19p13.3, and the gene responsible was identified as LKB1. Mutations in LKB1 gene are also associated with sporadic lung adenocarcinomas and occurs in approximately one-third of primary tumors and half of lung adenocarcinoma cells lines, implicating LKB1 in the pathogenesis of lung cancer. Recent evidence suggests that LKB1 signaling plays a role in protecting cells from apoptosis in response to energy or nutrient deprivation, which is achieved in part through the suppression of mTOR activity. Evidence from the literature supports a protein kinase cascade model in which LKB1 phosphorylates AMPK. AMPK is a heterotrimeric complex comprising a catalytic subunit (α) and two regulatory subunits (β and γ) that act as an intracellular energy sensor maintaining the energy balance within the cell. AMPK subsequently phosphorylates TSC2. Together the TSC1-TSC2 heterodimer acts to suppress the activity of mTOR, which is essential for the control of cell growth and proliferation. Thus, LKB1 functions as a negative regulator of mTOR. Additionally, LKB1 has been shown to regulate 11 of the 12 AMPK family members in vitro, suggesting that one of the tumour suppressor functions of LKB1 may be regulation of AMPK signaling. Therefore, LKB1 could be a potential target for treatment of both cancer and metabolic disorders. In this work we sought to study the signal transduction LKB1/AMPK/TSC2 pathway alterations that contribute to the pathogenesis NSCLC. Our major objectives were: ▪To determine the frequency of genetic and epigenetic alterations in the signal traduction LKB1/AMPK/TSC2 pathway in NSCLC in a panel of 23 cell lines (4 normal bronchial epithelial cell lines immortalized with SV40 and 19 NSCLC cell lines). ▪ To study some components of AMPK-related kinase family that could be activated downstream of LKB1, in particular we analyzed the methylation status of: BRSK1, BRSK2, MARK1, MARK4 in our panel of 23 cell lines. ▪ To examine LKB1/BRSK2 signaling.▪ To make a clinical validation of BRSK2 methylation status, in 58 FFPE of patients with NSCLC. ▪ To determinate the impact of LKB1 depletion on NSCLC cell lines. The major conclusions of this work were: ▪ LKB1 mutations are not confined to adenocarcinomas, they also occur in other NSCLC subtype such as large cell carcinomas. But we found no evidence of LKB1 methylation in any NSCLC cell lines used in this study. ▪ There are not sequence alterations or/and promoter methylation of AMPK and TSC components studied in our 23 panel cell lines. ▪ Of the four AMPK related kinases -BRSK1, BRSK2, MARK1 and MARK4- studied, BRSK2 represents the highest percentage of methylation; ~26 % of NSCLC cell lines and 25.8% in the 58 NSCLC samples. ▪ BRSK2 methylation is significantly correlated with four clinicopatological parameters: tumor stage (P=0,025), histology (P=0,001), tumor size (P=0,073) and nodules affected (P=0,04), suggesting that methylation of BRSK2 could provide a novel biomarker for disease progression in lung cancer. ▪ The disruption of LKB1/BRSK2 signaling could be important in the carcinogenesis of lung, as a molecular mechanism for the development of lung cancer.