Targeting NRAS mutant melanomas through metabolic stress

Abstract

Al melanoma cutani, els gens que presenten una major incidència mutacional són els gens BRAF i NRAS. Alteracions en aquests gens resulten en l'activació constitutiva de la via de RAS-ERK1/2, contribuint activament així en el desenvolupament i la progressió tumoral del melanoma. Tot i que ambdues mutacions donen lloc a alteracions de la mateixa via de senyalització, està àmpliament descrit que els tumors que es generen d’aquestes constitueixen dues entitats diferents tant a nivell molecular com des del punt de vista de la clínica. Una qüestió rellevant al voltant rau en el fet que mentre els melanomes mutats en BRAF disposen de teràpies específiques dirigides contra aquest oncogèn, els melanomes que presenten mutacions en NRAS no tenen tractaments específics. Com a conseqüència, aquests pacients són tractats amb teràpies antitumorals més genèriques, amb taxes de resposta molt menors i a més amb una elevada toxicitat. En aquest context, desemmascar les diferències moleculars existents entre els tumors amb mutacions en BRAF i en NRAS és essencial per a l'establiment de noves estratègies terapèutiques dirigides a pacients que presenten mutacions en NRAS.

Resultats obtinguts amb anterioritat al nostre grup de recerca, juntament amb els d'altres investigacions, han confirmat la presència de diferents patrons metabòlics subjectes a la regulació per BRAFV600E. No obstant això, gairebé no existeix evidència al voltant del paper de les mutacions en NRAS a la regulació metabòlica. L'establiment de característiques metabòliques específiques de melanomes amb mutacions en NRAS podria contribuir al desenvolupament de nous enfocaments terapèutics dirigits contra aquest tipus de tumor.

Durant el desenvolupament d'aquest estudi hem investigat les implicacions moleculars derivades de la manca de glucosa en cèl·lules de melanoma mutades en NRASQ61 i BRAFV600E, per tal d'establir si la presència de característiques metabòliques depenent de NRAS podria ser explotada per al desenvolupament de noves teràpies contra aquest tipus de tumor. En aquest estudi, hem demostrat la presència de patrons metabòlics sota el control d'NRASQ61. Les cèl·lules que presenten mutacions en NRASQ61 mostren una resposta diferencial a l'estrès metabòlic en comparació amb les cèl·lules mutades en BRAFV600E, donant com a resultat la hiperactivació de la via de RAS-ERK1/2 i a la sensibilització d'aquestes cèl·lules a l'inhibidor multi-cinasa Sorafenib. PFKFB2, PFKFB3 i PFK-1 són elements clau en la regulació d'aquest procés. Amb això, proposem una nova aproximació terapèutica per al tractament dirigit dels melanomes mutats en NRASQ61, establerta per la combinació de 2-deoxi-D-glucosa (2DG) i Sorafenib. Després dels resultats obtinguts, podem concloure que els tumors que presenten mutacions en NRAS i BRAF són entitats diferents a diferents nivells, no només a nivell clínic i molecular, sinó també a nivell metabòlic, el que implica l'existència de noves finestres terapèutiques per al tractament de tumors que presenten mutacions en NRAS.

Los genes BRAF y NRAS presentan una mayor incidencia mutacional en melanoma cutáneo. Alteraciones en estos genes resultan en la activación constitutiva de la vía de RAS-ERK1/2, lo que contribuye activamente al desarrollo y la progresión tumoral del melanoma. Aunque ambas mutaciones dan lugar a alteraciones de la misma vía de señalización, ha sido ampliamente descrito que los tumores que se generan de las mismas, constituyen dos entidades diferentes tanto a nivel molecular como desde el punto de vista clínico. Una cuestión relevante reside en el hecho de que mientras los melanomas mutados en BRAF disponen de terapias específicas dirigidas contra el oncogén, los melanomas que presentan mutaciones en NRAS carecen de tratamientos específicos. Como consecuencia, estos pacientes son tratados con tratamientos antitumorales más genéricos, que desembocan en tasas de respuesta mucho menores y en una elevada toxicidad. En este contexto, el desenmascaramiento de las diferencias moleculares existentes entre los tumores con mutaciones en BRAF y en NRAS es esencial para el establecimiento de nuevas estrategias terapéuticas dirigidas a pacientes que presentan mutaciones en NRAS.

Resultados obtenidos previamente en nuestro grupo de investigación, sumados a los de otras investigaciones, han confirmado la presencia de diferentes patrones metabólicos sujetos a la regulación por BRAFV600E. Sin embargo, apenas existe evidencia sobre el papel de las mutaciones en NRAS en la regulación metabólica. El establecimiento de características metabólicas específicas de melanomas con mutaciones en NRAS podría contribuir al desarrollo de nuevos enfoques terapéuticos dirigidos contra este tipo de tumor.

Durante el desarrollo de este estudio hemos investigado las implicaciones moleculares derivadas de la falta de glucosa en células de melanoma mutadas en NRASQ61 y BRAFV600E, con el fin de establecer si la presencia de características metabólicas dependientes de NRAS podría ser explotada para el desarrollo de nuevas terapias contra este tipo de tumor. En este estudio, hemos demostrado la presencia de patrones metabólicos bajo el control de NRASQ61. Las células que presentan mutaciones en NRASQ61 muestran una respuesta diferencial al estrés metabólico, en comparación con las células mutadas en BRAFV600E, que desemboca en la hiperactivación de la vía de RAS-ERK1/2 y en la sensibilización de estas células al inhibidor multi-quinasa Sorafenib. PFKFB2, PFKFB3 y PFK-1 son elementos clave en la regulación de este proceso. Adicionalmente, proponemos una nueva aproximación terapéutica para el tratamiento dirigido de los melanomas mutados en NRASQ61, basada en la combinación de 2-deoxi-D-glucosa (2DG) y Sorafenib. Tras los resultados obtenidos, podemos concluir que los tumores que presentan mutaciones en NRAS y BRAF son entidades diferentes a distintos niveles, no solo a nivel clínico y molecular, sino también a nivel metabólico, lo que implica la existencia de nuevas ventanas terapéuticas para el tratamiento de tumores que presentan mutaciones en NRAS.

BRAF and NRAS are the most commonly found mutated genes in cutaneous melanoma. Alterations in these genes result in the constitutive activation of the RAS-ERK1/2 pathway, contributing to tumor development and progression. Beside both genes are consecutive located in the same signaling cascade, BRAF and NRAS mutated tumors are considered two different entities at clinical and molecular levels, resulting in distinct signaling patterns and different biological behavior. Furthermore, while there is a first line of treatment using targeted therapy against BRAF mutant melanomas, NRAS mutant tumors remain without specific line of treatment, showing low response rates and high toxicity to the currently applied therapies. Thus, the understanding of the molecular differences between BRAF and NRAS mutant tumors is essential to improve therapeutic opportunities for the treatment of patients carrying NRAS mutations.

Previous results in our group, together with additional investigations, have highlighted the presence of different metabolic settings subjected to BRAFV600E oncogene regulation. However, little is known about the role of NRAS mutations in metabolic rewiring. Deciphering metabolic settings in NRAS mutant melanomas could provide new avenues for the establishment of specific therapeutic approaches against these, until now, untargetable tumors.

In this study, we have investigated the molecular implications of glucose starvation in NRASQ61 and BRAFV600E mutant cells in order to establish whether the presence of NRAS-dependent metabolic settings can be exploited for the development of targeted therapies against NRAS mutant melanomas. Overall, in this study we have demonstrated the presence of NRASQ61 oncogene-dependent metabolic settings. NRASQ61 mutant cells show a differential response to metabolic stress when compared to BRAFV600E mutant cells, which results in the hyperactivation of the RAS-ERK1/2 pathway and the sensitization to the multikinase inhibitor Sorafenib. PFKFB2, PFKFB3 and PFK-1 are key players in the regulation of this process. We also propose a novel approach for the specific targeting of NRASQ61 mutant melanomas based on the combination of 2-deoxy-D-glucose (2DG) and Sorafenib. We conclude that NRAS and BRAF mutant tumors are different entities at different levels, not only at molecular and clinical levels but also at metabolic level and this fact provides a new therapeutic window for the targeting of NRAS mutant tumors.