¿Por qué es tan difícil desarrollar inhibidores de RAS?

Que es Ras?

Ras es cualquier proteína que forma parte de la superfamilia Ras de proteínas relacionadas en estructura. Ras es una proteína ubicua que se expresa en todas las células de nuestro cuerpo. Las proteínas Ras son parte de un grupo de proteínas llamadas GTPasa pequeñas clase.

Las proteínas Ras son generalmente involucradas en el crecimiento celular , la diferenciación , y supervivencia Como puede ver, esto hace que la superfamilia de proteínas Ras sea el candidato perfecto para contribuir al crecimiento del cáncer (proliferación no regulada y crecimiento de células). Ras específicamente está involucrado en aproximadamente el 30% de los cánceres humanos [1].

Las proteínas Ras son parte de rutas de transducción de señales complejas y multifacéticas que finalmente conducen a estas señales de crecimiento y proliferación que se transmiten a través del núcleo.

¿Qué implica exactamente la transducción de señales?

La transducción de señales es esencialmente la transmisión de una señal desde el exterior de una célula al núcleo interno. Esta señal da como resultado alteraciones en el metabolismo celular, la transcripción de genes ( expresión de proteínas ) y / o la forma de las células .

Generalmente hay una señal de amplificación grande ya que el agonista (señal de unión) inicialmente se une al exterior de una membrana celular (como es el caso de moléculas hidrófilas grandes que no podrán cruzar la membrana celular fosfolípida hidrofóbica) o en el dentro de la célula (como es el caso de moléculas de esteroides hidrofóbicas que pueden atravesar la membrana con facilidad). Este agonista hace que una señal se transmita hasta el núcleo. Un agonista de señal puede causar una amplificación en la señal de hasta un millón de veces con facilidad.

Estas rutas se pueden ejecutar a través de una miríada de diferentes receptores y vías celulares, algunos con niveles más altos de complejidades y amplificaciones que otros.

Para el propósito de nuestra discusión, existen dos tipos principales de receptores : GPCR (receptores acoplados a proteína G) y RTK (receptor tirosina quinasas). Estos últimos están mucho más involucrados en el crecimiento , la diferenciación celular, etc. Ambos están involucrados en la activación de Ras.

Después de la unión del agonista inicial al receptor, se requieren unos pocos pasos para que se transmita esta señal, la cual se basa ligeramente en la activación de GPCR / RTK:

Ligando -> Receptor -> Transductor / Efector -> Efector -> 2do Mensajero / Proteína Quinasa

1) Ligando (agonista) se une al receptor. Esto se puede hacer con un receptor extra o intracelular como se describió previamente dependiendo de las características hidrófilas o hidrófobas del ligando. En los GPCR este es un receptor de proteína simple, pero con los RTK puede haber una activación enzimática de dos receptores de proteínas que hace que se unan y se activen y formen un receptor enzimáticamente unido.

2) El receptor envía el mensaje al transductor / efector, que luego vincula algún tipo de mensaje para enviar la señal. Esto generalmente se hace mediante la fosforilación de una proteína que transmitirá este mensaje. El punto es que debe ocurrir una activación . Ras es activado por una proteína llamada GEF e inactivada por una proteína llamada GAP.

Esta activación se invierte bastante rápido en circunstancias normales. En los GPCR esto implica la activación de una proteína de tres subunidades, mientras que en los RTK implica proteínas adaptadoras que reclutan la siguiente proteína requerida en la vía.

3) El transductor / efector (en este caso Ras) envía el mensaje al último paso de la ruta antes de que la señal llegue al núcleo, la vía de la proteína quinasa. Esta vía (en este caso, la vía Raf / MEK / ERK, también conocida como vía MAP KKK) transducirá la señal al núcleo.

¿Dónde surgen los problemas?

Como saben, Ras es una pequeña clase de proteína GTPasa, y es parte de la vía de transducción de señales que activa la vía de la proteína quinasa y conduce a la señal que finalmente se transmite. Esta activación se lleva a cabo inicialmente a través de GPCR o RTK y se apaga a través de un circuito de retroalimentación negativa de los productos de la vía Ras a nivel del receptor / adaptador . Esto normalmente detiene la activación del transductor / efector Ras.

El problema surge cuando ocurren mutaciones en Ras , y ocurren con bastante frecuencia en pacientes con cáncer. Una vez que se produce una mutación en Ras, se activa permanentemente y la ruta no cesa de detenerse. Incluso si las proteínas o los receptores adaptadores reciben la señal para detener la actividad, no importa porque Ras sí mismo ha mutado para disminuir su propia actividad de GTPase. A medida que el intercambio de GTP por GDP y la posterior hidrólisis de GTP se detiene debido a la mutación, GTP permanece unido a la proteína Ras y se produce una proliferación celular no regulada y un crecimiento.

No solo disminuye la actividad de GTPasa, sino que la proteína Ras pierde sensibilidad a GAP (uno de los inhibidores habituales de Ras) [2] [3] [4] y se expone a una mayor cantidad de GEF (uno de los activadores habituales de Ras a través de la unión a GTP) [5] [6].

Por lo tanto, podemos decir que los problemas surgen a través de 3 mecanismos principales:

1) Mutaciones en la proteína Ras misma que conducen a la disminución de la actividad de GTPasa y, por lo tanto, a una molécula de GTP constantemente unida y a la activación permanente de Ras.

2) Sobreactivación de la proteína de tipo salvaje que conduce a la producción de GEF.

3) Pérdida de la función GAP debido a la disminución de la sensibilidad de la proteína Ras.

Entonces, ¿por qué no podemos inhibir a Ras una vez que ha mutado?

Las compañías farmacéuticas han gastado miles de millones de dólares en tratar de inhibir a Ras una vez que ha sido mutado. Sin embargo, estas empresas solo han tenido un éxito mínimo, si es que tienen alguna.

El primer enfoque se ha tomado con respecto a la interrupción de la unión de Ras a GTP , pero ninguno ha tenido éxito.

1) Usar inhibidores competitivos para el sitio enzimático activo de Ras . Esto en realidad resultó contraproducente porque cualquier molécula que podría funcionar para hacer esto en realidad impediría aún más cualquier actividad potencial de GTPasa. Esta inactividad le da a Ras su actividad oncogénica en primer lugar. De todos modos, las únicas moléculas que se han encontrado para lograr esta función son las citotoxinas clostridiales (un tipo de toxina bacteriana) y estas toxinas funcionan enzimáticamente para crear una proteína Ras que se modifica covalentemente, haciendo que Ras se vuelva resistente a GAP por completo. Usar una molécula para hacer lo contrario, crear un agonista, sería muy difícil (restaurar la sensibilidad de GAP o la actividad de GTPasa) y se ha demostrado que puede no ser factible en absoluto [7].

2) Desarrollar una droga en un intento de desplazar GTP de Ras . Esto ha demostrado ser un camino sin salida a pesar de su naturaleza prometedora. Debido a la alta afinidad cinética entre la unión de Ras a GTP, los competidores de fármacos del sitio de unión a ATP en el mercado no pueden competir (afinidades micro molares vs nano molares).

La interrupción del enlace de alta afinidad Ras a GTP se ha caracterizado como “no eliminable” en un estudio reciente de 2010 [8]. Todavía hay una charla entusiasta en este campo, pero hasta ahora nadie ha tenido más éxito en esta tarea.

Algunos también han intentado alterar la proteína activadora de GEF aguas arriba (SOS en la imagen previa) [9] [10]. Sin embargo, aún no se ha desarrollado nada para mostrar una gran promesa.

Esto nos ha dejado con la ausencia de una molécula obvia en el nivel de Ras al objetivo. El siguiente enfoque ha estado involucrado en la construcción de Ras en sí .

Las modificaciones de la proteína covalente después de la traducción son esenciales para la formación de Ras, por lo que se ha sugerido que puede ser un buen objetivo para ir tras las herramientas involucradas en esas modificaciones, específicamente la fnesulfonil transferasa . Teóricamente, la interrupción de las modificaciones postraduccionales de proteínas daría como resultado una proteína no funcional. Además, se formuló la hipótesis de que la presencia de Ras inactivo actuaría como un inhibidor de la señalización de Ras previamente activa mediante el secuestro de moléculas en las ubicaciones subcelulares adecuadas implicadas en sus vías de señalización.

Este enfoque ha involucrado el uso de inhibidores de la farnesil transferasa (FTI). Un par de estos FTI llegaron a los ensayos clínicos de fase 3 después de mostrar resultados prometedores antes de que se demostró que carecían de la actividad anticáncer prevista [11].

Entonces, ¿por qué esto no funcionó? Lo más probable es porque las drogas se desarrollaron usando una versión mutada de una isoforma de Ras. La creencia era que todas las isoformas de Ras responderían de manera similar, pero lamentablemente ese no es el caso. Se ha demostrado que las isoformas activas in vivo de Ras se geraniligenan en las células en presencia de FTI, lo que les permite eludir la acción de los FTI y desarrollarse completamente. No se ha desarrollado nada más en esta área, pero es posible que los FTI produzcan beneficios en el futuro.

Otro foco ha estado en Ras en el nivel de expresión . En otras palabras, los científicos han estado tratando de reducir la expresión de isoformas particularmente dañinas.

Los objetivos de este enfoque incluyen promotores de isoformas específicas de Ras tales como la secuencia rica en guanina que forma una estructura G-quadruplex que se ha confirmado en el ADN humano [12]. Muchos medicamentos ya están disponibles en el mercado que pueden unir y estabilizar estas estructuras de ADN G-quadruplex y pueden regular la expresión de Ras in vitro .

Sin embargo, la actividad reguladora de estas estructuras puede ser negativa o positiva in vivo dependiendo de la isoforma de Ras. También las secuencias que son compatibles con estas estructuras están muy extendidas dentro del ADN humano. Por lo tanto, es poco probable que esto proporcione un mecanismo adecuado para detener Ras.

También se están probando trozos de ARN reguladores llamados microARN (específicamente microARN-622) que han demostrado que disminuyen las isoformas específicas de Ras. No se sabe cuán eficaz resultará esta ruta

El último foco importante ha sido con la ruta de la proteína quinasa . La desactivación de la vía MAP KKK que ha aprendido anteriormente provocaría el cese de la señal Ras antes de que pudiera causar ningún daño. Un problema importante con este enfoque es que está muy abajo del origen del problema.

Dado que la señal oncogénica de Ras se transmite a través de múltiples vías, se ha especulado que esto no demostrará ser muy eficaz [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20]. A pesar de esto, se ha otorgado la aprobación de la FDA de uno de estos inhibidores ( trametinib ). Otro inhibidor de MAPKKK , MEK162 , ha mostrado resultados prometedores también en pacientes con melanoma [13].

Para que este enfoque sea efectivo, la vía señalizada MAP KKK tendría que predominar en la vía de transducción de señales de Ras. Otro problema con este enfoque es que la resistencia podría emerger fácilmente con estos inhibidores.

Se están desarrollando otros métodos más nuevos de Ras, pero no está claro si alguno resultará útil en este momento. Los científicos continúan trabajando para detener a Ras y lo más probable es que continúen haciéndolo hasta que encuentren una forma, ya que los beneficios de tal descubrimiento tendrían un alto rendimiento para la humanidad.

¿Qué pasa si bloqueamos a Ras?

Todavía habrá complicaciones, incluso si encontramos una manera de bloquear simplemente las acciones de Ras, ya que Ras está involucrado en funciones generalizadas en el cuerpo humano.

Para dar un ejemplo, se ha demostrado que Ras es parte de una vía importante para la remodelación sináptica en el cerebro humano (el proceso mismo que subyace a la memoria) [21]. Las mutaciones en los reguladores de Ras en neutrones se encuentran en pacientes con retraso mental no sindrómico [22]. También hay evidencia de que la isoforma H-Ras está involucrada en el control de la plasticidad sináptica [23].

Este es solo un ejemplo más de los desafíos que todavía tenemos que enfrentar al bloquear a Ras.

Referencias

1. AT Baines, D. Xu y CJ Der, “Inhibición de Ras para el tratamiento del cáncer: la búsqueda continúa”, Future Medicinal Chemistry, vol. 3, no. 14, pp. 1787-1808, 2011.
2. JB Gibbs, IS Sigal, M. Poe y EM Scolnick, “La actividad de la GTPasa intrínseca distingue las moléculas de ras p21 normales y oncogénicas”, Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América, vol. 81, no. 18, pp. 5704-5708, 1984.
3. G. Bollag y F. McCormick, “Regulación diferencial de las actividades de productos del gen rasGAP y neurofibromatosis”, Nature, vol. 351, no. 6327, pp. 576 – 579, 1991.
4. U. Krengel, I. Schlichting, A. Scherer y col., “Estructuras tridimensionales de mutantes H-p21 p21: bases moleculares para su incapacidad para funcionar como moléculas de cambio de señal”, Cell, vol. 62, no. 3, pp. 539 – 548, 1990.
5. K. Zhang, AG Papageorge, y DR Lowy, “Aspectos mecanísticos de la señalización a través de Ras en células NIH 3T3”, Science, vol. 257, no. 5070, págs. 671 – 674, 1992.
6. RR Mattingly e IG Macara, “activación dependiente de la fosforilación del factor de intercambio Ras-GRF / CDC25 (Mm) por los receptores muscarínicos y las subunidades βγ de la proteína G”, Nature, vol. 382, no. 6588, pp. 268 – 272, 1996.
7. K. Scheffzek, MR Ahmadian, W. Kabsch y otros, “El complejo Ras-RasGAP: base estructural para la activación de GTPasa y su pérdida en mutantes ras oncogénicos”, Science, vol. 277, no. 5324, pp. 333-338, 1997.
8. T. Tanaka y TH Rabbitts, “Interferir con las interacciones proteína-efector RAS previene el inicio del tumor dependiente de RAS y causa el control de inicio y detención del crecimiento del cáncer”, Oncogene, vol. 29, no. 45, pp. 6064-6070, 2010.
9. T. Maurer, LS Garrenton, A. Oh y otros, “ligandos de molécula pequeña se unen a un bolsillo distinto en Ras e inhiben la actividad de intercambio de nucleótidos mediada por SOS”, Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América, vol. 109, no. 14, pp. 5299-5304, 2012.
10. Q. Sun, JP Burke, J. Phan y otros, “Descubrimiento de pequeñas moléculas que se unen a K-Ras e inhiben la activación mediada por Sos”, Angewandte Chemie International Edition, vol. 51, pp. 6140-6143, 2012.
11. AM Tsimberidou, C. Chandhasin y R. Kurzrock, “Inhibidores de la farnesiltransferasa: ¿dónde estamos ahora?” Opinión del experto sobre drogas en investigación, vol. 19, no. 12, pp. 1569-1580, 2010.
12. G. Biffi, D. Tannahill, J. McCafferty, y S. Balasubramanian, “Visualización cuantitativa de estructuras G-quadruplex de ADN en células humanas”, Nature Chemistry, vol. 5, pp. 182-186, 2013.
13. PA Ascierto, D. Schadendorf, C. Berking y col., Et al., “MEK162 para pacientes con melanoma avanzado que alberga mutaciones BRAF NRAS o Val600: un estudio de fase 2 no aleatorizado, abierto,” The Lancet Oncology, vol. . 14, pp. 249-256, 2013.
14. KR Stengel y Y. Zheng, “papel esencial de Cdc42 en la transformación inducida por Ras revelada por la orientación genética”, PLoS ONE, vol. 7, Artículo ID e37317, 2012.
15. N. Mitin, KL Rossman y CJ Der, “Interacción de señalización en la función de la superfamilia ras”, Current Biology, vol. 15, no. 14, pp. R563-R574, 2005.
16. AV Patel, D. Eaves, WJ Jessen et al., Et al., “El análisis del transcriptoma dirigido por Ras identifica aurora cinasa A como un posible objetivo terapéutico tumoral de la vaina del nervio periférico maligno”, Clinical Cancer Research, vol. 18, pp. 5020-5030, 2012.
17. S. Eser, N. Reiff, M. Messer y otros, et al., “Requisito selectivo de señalización de PI3K / PDK1 para la plasticidad de células pancreáticas impulsadas por oncogenes Kras y el cáncer”, Cancer Cell, vol. 23, pp. 406-420, 2013.
18. HY Chow, AM Jubb, JN Koch y col., Y col., “Se requiere cinasa 1 activada por p21 para la formación y progresión eficaz de tumores en un modelo de cáncer de piel mediado por Ras”, Cancer Research, vol. 72, pp. 5966-5975, 2012.
19. RE Menard y RR Mattingly, “Los receptores de superficie celular activan la quinasa 1 activada por p21 a través de múltiples rutas dependientes de Ras y PI3-quinasa”, Cellular Signaling, vol. 15, no. 12, pp. 1099-1109, 2003.
20. Q. Li y RR Mattingly, “La restauración de las uniones célula-célula E-cadherina requiere tanto la expresión de E-cadherina como la supresión de la activación de ERK MAP quinasa en células epiteliales de mama transformadas con ras”, Neoplasia, vol. 10, no. 12, pp. 1444-1458, 2008.
21. EJ Weeber y JD Sweatt, “neurobiología molecular de la cognición humana”, Neuron, vol. 33, no. 6, pp. 845-848, 2002.
22. LB Rosen, DD Ginty, MJ Weber y ME Greenberg, “La despolarización de la membrana y la afluencia de calcio estimulan MEK y MAP quinasa a través de la activación de Ras”, Neuron, vol. 12, no. 6, pp. 1207 – 1221, 1994.
23. KA Rauen, “HRAS y el síndrome de Costello”, Clinical Genetics, vol. 71, no. 2, pp. 101-108, 2007.