Genetic evaluation of a combination therapy for the treatment of KRAS mutant lung adenocarcinoma
Author
Esteban Burgos, Laura deEntity
UAM. Departamento de Bioquímica; Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO)Date
2019-12-17Subjects
Genética - Tesis doctorales; Tumores malignos - Tratamiento - Tesis doctorales; Tumores malignos - Terapia - Tesis doctorales; MedicinaNote
Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Medicina, Departamento de Bioquímica. Fecha de lectura: 17-12-2019Esta tesis tiene embargado el acceso al texto completo hasta el 17-06-2021
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.
Abstract
Genetic ablation of CDK4 is known to prevent tumor development of Kras-driven lung
adenocarcinoma (LUAD). Yet, elimination of the protein does not mimic pharmacological inhibition. We
have utilized a genetically engineered mouse model (GEMM) that closely recapitulates this
pharmacological treatment to evaluate the consequences of inactivating CDK4. In the present thesis,
we have used two kinase dead (KD) isoforms, K35M and D140A, to eliminate the catalytic activity of
CDK4. We demonstrated that the kinase function of CDK4 is not essential for mouse embryonic
development. These mutant mice recapitulate most of the features of the complete elimination of
CDK4 but later in time and with less penetrance. Mice expressing these CDK4 kinase dead isoforms are
smaller than their wildtype counterparts and develop diabetes due to defects in the β-pancreatic cells
development.
Furthermore, CDK4 inactivation impairs lung tumor initiation, although to a lesser extent than
CDK4 ablation, suggesting the existence of kinase independent functions for the maintenance of cell
cycle progression. Nevertheless, inactivation of CDK4 is not sufficient to eradicate aggressive
KrasG12V;Trp53-null adenocarcinomas. Hence, combinatorial targets to improve therapeutic responses
have been validated. Recently, it has been reported that elimination of RAF1 decreases lung tumor
progression but unfortunately and similarly to CDK4 inactivation, it is insufficient to completely
eliminate the disease in a Trp53 deficient background. Here, we demonstrated that concomitant
inhibition of CDK4 and RAF1 leads to regression of 100% of the Kras-driven adenocarcinomas even in
the most aggressive context where the tumor suppressor Trp53 is depleted. Of note, 24% were
complete responders according to the RECIST criteria.
Still, there is a small population of remaining non-proliferative cells that survive in the absence
of both targets being able to evolve and spawn new cancer growth. In vitro characterization of those
cells confirmed the heterogenous mechanisms a cell can acquire in order to sustain tumor growth
independently of CDK4 and RAF1. Both, epigenetic modifications as well as activation of alternative
signaling pathways such as PI3K, are found to be responsible of CDK4 and RAF1 independent cell
growth. In fact, selective treatment with 5-Azacytidine or PI3K inhibitors halts proliferation of CDK4 and
RAF1 resistant cells. Further studies to understand the complex crosstalk between the cell cycle and
MAP Kinase signaling will shed light on future novel treatments against KRAS mutant tumors. La eliminación genética de CDK4 en un modelo murino de adenocarcinoma de pulmón
inducido por el oncogén Kras impide el desarrollo tumoral. Sin embargo, la eliminación completa
de la proteína no reproduce la inhibición farmacológica. Hemos utilizado un modelo de ratón
genéticamente modificado que recapitula dicha inhibición farmacológica, permitiéndonos
evaluar las consecuencias de la inactivación de la actividad quinasa de CDK4. En esta tesis hemos
usado dos modelos, K35M y D140A, para eliminar la actividad catalítica de la proteína. Hemos
demostrado que la función quinasa no es esencial para el desarrollo embrionario del ratón. Estos
animales recapitulan la mayoría de las características asociadas a la eliminación completa de
CDK4, pero con mayor latencia y menor penetrancia. Los ratones que expresan una forma
catalíticamente inactiva de CDK4 son más pequeños que sus hermanos de camada para los que
Cdk4 está intacto y, además, desarrollan diabetes debido a un defecto en el desarrollo de las
células β pancreáticas.
Por otra parte, la inactivación de CDK4 ralentiza la iniciación de los tumores de pulmón,
aunque en menor medida que la eliminación completa de la proteína, sugiriendo que existen
funciones catalíticamente independientes para el mantenimiento de la progresión celular. Sin
embargo, la inactivación de CDK4 no es suficiente para erradicar los tumores de pulmón más
agresivos dirigidos por el oncogén Kras donde, además, el tumor supresor Trp53 es eliminado.
Por lo tanto, hemos buscado dianas terapéuticas adicionales para ser combinadas con CDK4.
Recientemente, hemos reportado que la eliminación de RAF1 disminuye la progresión de los
tumores de pulmón, pero desafortunadamente como la inactivación de CDK4, es insuficiente para
eliminar completamente la enfermedad en un fondo sin Trp53. En esta tesis hemos demostrado
que la inhibición conjunta de CDK4 y RAF1 favorece la disminución del tamaño del 100% de los
tumores de pulmón dirigidos por el oncogén Kras en un contexto donde la función de Trp53 ha
sido eliminada. Cabe destacar que el 24% de los tumores han desaparecido completamente de
acuerdo a los criterios RECIST.
Aún así, hay un pequeño porcentaje de células que sobreviven en ausencia de las dos
dianas terapéuticas, siendo capaces de evolucionar y promover nuevo crecimiento tumoral. La
caracterización de dichas células, confirma la existencia de diversos mecanismos heterogéneos
como cambios epigenéticos o la activación de vías de señalización alternativas como la vía de
PI3K. De hecho, el tratamiento selectivo con 5-Azacitidina o inhibidores de PI3K impiden la
progresión de las células resistentes a la inactivación de CDK4 y RAF1. Futuros estudios para
entender las complejas interacciones entre el ciclo celular y la vía de MAP quinasa arrojarán luz
para favorecer el desarrollo de nuevos tratamientos contra los tumores con mutaciones en KRAS
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