New signaling pathways implicated in resistance to targeted therapy in tumors with alterations of the MAPK pathway
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- Teses de doutoramento [2147]
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New signaling pathways implicated in resistance to targeted therapy in tumors with alterations of the MAPK pathwayAuthor(s)
Directors
Mayán, María D.Fonseca, Eduardo
Date
2024Abstract
[Abstract] Mutations in the oncogenic protein kinase BRAF are involved in the onset and progression of
several tumours, including more than 50% of melanoma cases and around 8% of all cancers
worldwide. Currently, BRAF/MEK inhibitors (BRAF/MEKi) are the standard therapy for BRAFmutated
melanoma and have radically changed the treatment landscape of advanced BRAF
mutation-positive tumours. However, limited efficacy and emergence of drug resistance are
major handicaps for successful treatments. The channel protein connexin43 (Cx43), allows
the exchange of small molecules such as ions, metabolites or small RNAs (sRNAs) via
hemichannels, gap junctions and thought small extracellular vesicles (EVs), affecting of cell
growth, metabolism, and differentiation. Cx43 has also been detected at the mitochondrial
associated membranes (MAMs) and it has been identified as a potential tumour suppressor
in primary melanoma. However, the molecular basis of its role in disease progression remains
controversial. In this project, we aim to unravel de role of Cx43 in the context of BRAF mutated
cancer and resistance to therapy in BRAF-mutated tumours.
Our findings show that Cx43 enhances the efficacy of BRAF/MEKi in various BRAF-driven
tumours in vitro and in vivo models, by attracting DNA repair complexes to the nuclear
membrane by interacting with lamin-A/C and different DDR proteins such as HMGB1,
PRPF19, XCRR6 or CDCL5. This nuclear compartmentalisation restrict HR pathways and
delay DNA repair leading to persistent DNA damage, contribuing to genome instability and
synthetic lethality. The results of this thesis demonstrated that targeting Cx43 to interfere with
DNA repair could emerge as a potential therapeutic strategy to increase efficacy and to
overcome drug resistance in tumours with a BRAF mutant background. In light of our findings,
we designed an innovative drug combination by using EVs as drug delivery systems to deliver
the full-Cx43 (mRNA and protein) in combination with the BRAF/MEKi. Our results have
shown that Cx43 not only increases the internalisation capacity of EVs into receptor cells but
also modifies their cargo through the recruitment of new proteins and different molecules of
RNAs. The modification of the cargo of these EVs could have an impact on their physiological
functions, as we have observed that both sensitive and resistant tumour cells are affected by
treatment with these particles, especially when they are in combination with BRAF/MEKi.
Furthermore, it has been observed that Cx43 impacts the metabolism of tumour cells by
enhancing mitochondrial content and increasing their capacity for respiration through oxidative
phosphorylation in BRAFV600E melanoma cells. In addition, Cx43 is present in the
endoplasmic reticulum (ER) of melanoma cells, suggesting its role as a novel regulator of ERrelated
stress pathways, potentially leading to cell death. Overall, our study highlights novel
functions of Cx43, demonstrating for the first time that Cx43 is a novel factor contributing to
DNA repair response and BRAF/MEKi efficacy, as well as a key player in the regulation of ER stress, highlighting the potential of Cx43 as an antitumour agent and enhancer of therapy
efficacy, as well as a bypass for drug resistance acquisition in BRAF-mutant tumours. [Resumen] Las mutaciones en la proteína quinasa oncogénica BRAF están directamente relacionadas
con la aparición y progresión de varios tipos de tumores, incluyendo más del 50% de los
casos de melanoma y aproximadamente el 8% de todos los cánceres en el mundo. En la
actualidad, los inhibidores de BRAF/MEK (BRAF/MEKi) son considerados la terapia estándar
para los melanomas que presentan mutaciones en BRAF, y han modificado drásticamente el
panorama del tratamiento de los tumores avanzados con esta característica genética. Sin
embargo, su efectividad es limitada y la resistencia a estos fármacos constituye un obstáculo
significativo para el éxito del tratamiento. La proteína transmembrana conexina43 (Cx43)
facilita el intercambio de pequeñas moléculas, como iones, metabolitos y ARN pequeños, a
través de diferentes mecanismos celulares como uniones comunicantes (GJs), hemicanales
o vesículas extracelulares (EVs), afectando aspectos clave como el crecimiento, metabolismo
y diferenciación celular. Además, se ha identificado a la Cx43 en las membranas asociadas
a las mitocondrias (MAMs) y se ha sugerido como un potencial supresor tumoral en el
melanoma primario. Sin embargo, su papel molecular exacto en la progresión de la
enfermedad aún es motivo de controversia.
En este proyecto, nuestro objetivo es dilucidar el papel de la Cx43 en el contexto de cánceres
con mutación en BRAF y en la resistencia a la terapia asociada a dichas mutaciones. Nuestros
hallazgos indican que la Cx43 mejora la eficacia de los inhibidores de BRAF/MEK en varios
modelos de tumores BRAF-mutados, tanto in vitro como in vivo. Este efecto se logra
atrayendo complejos de reparación del ADN hacia la membrana nuclear a través de la
interacción con diversas proteínas, como lamin-A/C y diferentes proteínas de reparación del
ADN. Esta compartimentación nuclear restringe las vías de reparación del ADN, lo que
conduce a daños persistentes en el genoma y contribuye a la inestabilidad genómica y a la
letalidad sintética. Nuestros resultados sugieren que la Cx43 podría ser usada como una
estrategia terapéutica prometedora para mejorar la eficacia y superar la resistencia a los
fármacos en tumores con mutaciones en BRAF. En base a nuestros resultados, hemos
desarrollado una combinación innovadora de fármacos utilizando EVs como vehículos de
administración para entregar la Cx43 completa (ARNm y proteína) junto con los BRAF/MEKi.
Descubrimos que la Cx43 no solo aumenta la capacidad de internalización de las EVs en las
células receptoras, sino que también modifica su contenido, lo que afecta tanto a las células
tumorales sensibles como a las resistentes, especialmente cuando se combinan con los
BRAF/MEKi.
Además, hemos observado que la Cx43 impacta en el metabolismo celular de las células de
melanoma BRAF mutado, aumentando el estrés del retículo endoplásmico (RE), lo que podría
estar provocando un aumento en el contenido mitocondrial y la capacidad respiratoria de las células. En conjunto, nuestro estudio destaca nuevas funciones de la Cx43, demostrando su
contribución a la respuesta de reparación del ADN, la eficacia de BRAF/MEKi y la regulación
del estrés del RE en tumores con mutaciones en BRAF. Estos hallazgos resaltan el potencial
de la Cx43 como un agente antitumoral y potenciador de la eficacia terapéutica, así como un
objetivo para combatir la resistencia a los fármacos en tumores con mutaciones en BRAF. [Resumo] As mutacións na proteína quinasa oncoxénica BRAF están directamente relacionadas coa
aparición e progresión de varios tipos de tumores, incluíndo máis do 50% dos casos de
melanoma e aproximadamente o 8% de todos os cancros no mundo. Na actualidade, os
inhibidores de BRAF/MEK (BRAF/MEKi) son considerados a terapia estándar para os
melanomas que presentan mutacións en BRAF, e modificaron drasticamente o panorama do
tratamento dos tumores avanzados con esta característica xenética. Con todo, a súa
efectividade é limitada e a resistencia a estes fármacos constitúe un obstáculo significativo
para o éxito do tratamento. A proteína transmembrana conexina43 (Cx43) facilita o
intercambio de pequenas moléculas, como ións, metabolitos e ARN pequenos, a través de
diferentes mecanismos celulares como unións comunicantes (GJs), hemichanles ou
vesículas extracelulares (EVs), afectando aspectos clave como o crecemento, metabolismo
e diferenciación celular. Ademais, identificouse á Cx43 nas membranas asociadas ás
mitocondrias (MAMs) e suxeriuse como un potencial supresor tumoral no melanoma primario.
Con todo, o seu papel molecular exacto na progresión da enfermidade aínda é motivo de
controversia. Neste proxecto, o noso obxectivo é dilucidar o papel da Cx43 no contexto de
cancros con mutación en BRAF e na resistencia á terapia asociada ás devanditas mutacións.
Os nosos achados indican que a Cx43 mellora a eficacia dos inhibidores de BRAF/MEK en
varios modelos de tumores BRAF-mutados, tanto in vitro como in vivo. Este efecto lógrase
atraendo complexos de reparación do ADN cara á membrana nuclear a través da interacción
con diversas proteínas, como lamin-A/C e diferentes proteínas de reparación do ADN. Esta
compartimentación nuclear restrinxe as vías de reparación do ADN, o que conduce a danos
persistentes no xenoma e contribúe á inestabilidade xenómica e á letalidade sintética. Os
nosos resultados suxiren que a Cx43 podería ser usada como unha estratexia terapéutica
prometedora para mellorar a eficacia e superar a resistencia aos fármacos en tumores con
mutacións en BRAF. En base aos nosos resultados, desenvolvemos unha combinación
innovadora de fármacos utilizando EVs como vehículos de administración para entregar a
Cx43 completa (ARNm e proteína) xunto cos BRAF/MEKi. Descubrimos que a Cx43 non só
aumenta a capacidade de internalización das EVs nas células receptoras, senón que tamén
modifica o seu contido, o que afecta tanto as células tumorais sensibles como ás resistentes,
especialmente cando se combinan cos BRAF/MEKi.
Ademais, observamos que a Cx43 impacta no metabolismo celular das células de melanoma
BRAF mutado, aumentando a tensión do retículo endoplásmico (RE), o que podería estar a
provocar un aumento no contido mitocondrial e a capacidade respiratoria das células. En
conxunto, o noso estudo destaca novas funcións da Cx43, demostrando a súa contribución á
resposta de reparación do ADN, a eficacia de BRAF/MEKi e a regulación da tensión do RE en tumores con mutacións en BRAF. Estes achados resaltan o potencial da Cx43 como un
axente antitumoral e potenciador da eficacia terapéutica, así como un obxectivo para
combater a resistencia aos fármacos en tumores con mutacións en BRAF.
Keywords
Cáncer-Investigación
Conexinas
Proteínas-Inhibidores
Conexinas
Proteínas-Inhibidores
Description
Programa Oficial de Doutoramento en Bioloxía Celular e Molecular. 5004V01
Rights
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