De sleutel vinden om oncogene RAS-mutanten te inactiveren

Achtergrond en onderzoeksrichting
RAS-eiwitten zijn belangrijk voor normale cel proliferatie, migratie en overleving die normaal gesproken strikt worden gecontroleerd en alleen geactiveerd raken als reactie op specifieke signalen. Veel tumorcellen vertrouwen op het gemuteerde RAS-eiwit om te kunnen groeien en metastasen te vormen, waardoor RAS-genen de meest algemeen gemuteerde oncogenen zijn bij kanker. Deze mutaties zijn verantwoordelijk voor meer dan een miljoen sterfgevallen per jaar wereldwijd. Veel van de meest agressieve en therapieresistente tumoren hebben RAS mutaties, zoals pancreaskanker, darmkanker en niet-kleincellige longkanker. Kankers met gemuteerd RAS worden daarom vaak geassocieerd met een slechte prognose. Deze mutaties houden RAS in een constitutief actieve toestand om op die manier deactivering door GAP-eiwitten te voorkomen. Ondanks dat deze oncogene mutaties meer dan 30 jaar geleden zijn geïdentificeerd blijft de ontwikkeling van effectieve therapieën ongrijpbaar en wordt het vinden van medicijnen tegen kankers met RAS-mutaties vaak de "Heilige Graal" of "Everest" genoemd. In dit onderzoek stellen we een nieuwe strategie voor om het oncogene RAS aan te pakken door het probleem te behandelen als "een slot en een sleutel" -probleem. Inderdaad, de mutaties veranderen de structuur van RAS om deze in actieve toestand te vergrendelen, zodat de normale "sleutel", GAP, niet meer overeenkomt met het slot. Daarom heeft men een aangepaste GAP "sleutel" nodig om het gewijzigde RAS "slot" te deactiveren. Ons oorspronkelijke idee is om de kracht van natuurlijke selectie te ontketenen door verbeterde GAP-eiwitten te genereren die mutant RAS deactiveren en kankercellen kunnen doden. Op het moment dat deze GAP-"sleutels" bekend zijn, kunnen hun atomaire structuren worden gebruikt om kleinere geneesmiddelen te ontwerpen die lijken op het aangepaste GAP, maar dezelfde functies kunnen aannemen als een volledig gemodificeerde GAP-eiwit. Daarom beoogt het voorgestelde onderzoek de weg vrij te maken voor de ontwikkeling van nieuwe antikankermedicijnen die zich gedragen als geen ander die tot dusver is getest.

Relevantie
RAS-mutante kankers, zoals pancreas-, darm- en niet-kleincellige longkanker, behoren tot de meest agressieve vormen van kanker. Deze RAS-mutante kankers zijn verantwoordelijk voor meer dan 1 miljoen sterfgevallen per jaar. Ondanks het feit dat RAS het eerste menselijke oncogen was dat werd ontdekt, hebben jaren van intensief onderzoek niet veel effectieve therapieën opgeleverd. Dit wijst erop dat de gebruikelijke werkstromen van geneesmiddelenontwikkeling niet zijn aangepast. Daarom stellen we hier een radicaal andere benadering voor: specifiek gericht op gemuteerd RAS die, indien gefinancieerd door KWF en succesvol, zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van peptidegeneesmiddelen die veel agressieve tumoren in de toekomst beter behandelbaar kunnen maken.

Onderzoeksopzet
Ons doel is om de moeilijke allereerste stappen van een krachtige medicijnontwikkeling aan te pakken: de identificatie van een kunstmatig GAP-eiwit dat fungeert als een sleutel om actief RAS te ontgrendelen, zodat zijn activiteit wordt gestopt en de groei van kankercellen kan worden geblokkeerd. Om dit te bereiken stellen we voor om:

1.  Een groot panel van (1,8 miljoen) gemodificeerde GAP-eiwitsequenties te genereren door alle mogelijke eiwitbouwstenen rond het actieve deel van normaal GAP te gebruiken om de structuur van de "sleutel" te kunnen veranderen.
2. Al deze GAP-sequenties, die afhankelijk zijn van de twee meest algemeen waargenomen RAS-mutaties (die elk ~ 30% van de RAS-mutaties vertegenwoordigen), in cellen te introduceren om te groeien. Vervolgens willen we alleen cellen selecteren die een actief GAP hebben met behulp van een genetische RAS-activiteitssensor die is gekoppeld aan een selectiemarker. Op deze manier kunnen we alle cellen elimineren die inactieve gemodificeerde GAP-eiwitten tot expressie brengen, waardoor enkel cellen overblijven met actieve GAP-eiwit expressie die mutant RAS kunnen remmen.
3. Modellen van de structuur van de geïdentificeerde actieve GAP-eiwitten opstellen om te begrijpen hoe RAS wordt gedeactiveerd door het gemodificeerde gebied in GAP. We gebruiken deze informatie uiteindelijk om hun activiteit te evalueren door peptidemoleculen (kleine delen van het gemodificeerde GAP-eiwit) te ontwerpen die kunnen worden gesynthetiseerd en getest op kankercellen.

Verwachtte uitkomsten
De eerste verwachte uitkomst van dit project is daarom de identificatie van ten minste twee actieve GAP-eiwitten tegen de twee meest voorkomende gemuteerde RAS-eiwitten. Deze GAP-eiwitten mogen ook niet actief zijn tegen normaal RAS, welke belangrijk is voor normale cellen. Het tweede verwachte resultaat is het verkrijgen van een model van de atomaire structuur van deze eiwitten. Dit is essentieel voor de ontwikkeling van actieve peptidegeneesmiddelen die zal zijn gebaseerd op de structuur van het GAP-eiwit van belang. Het doel is hier om een peptidegeneesmiddel te verkrijgen dat dezelfde activiteit zal hebben als het actieve deel van het hele GAP-eiwit door dezelfde structuur aan te nemen. Het onderzoeksteam is er eerder in geslaagd om peptidegeneesmiddelen te ontwikkelen voor andere kankerrelevante eiwitten. Hierdoor zijn we er dus van overtuigd dat we na identificatie van de gemodificeerde GAP-eiwitten in staat zullen zijn om potentieel actieve, op peptide-gebaseerde, geneesmiddelen tegen RAS te kunnen ontwerpen. Hoewel het project niet onmiddellijk een actief middel voor menselijke therapie zal opleveren, is dit zeker een hoognodige en essentiële eerste stap om te nemen.

Implementatie
Om een tijdige afronding van de onderzoeksdoelstellingen te waarborgen wordt het onderzoek uitgevoerd door een complementair team van onderzoekers met expertise in verschillende aspecten van het onderzoek in zowel het Cancer Center Amsterdam van het Amsterdam UMC, locatie VU medisch centrum als bij de afdeling Organische Chemie en Farmaceutische Wetenschappen van de Vrije Universiteit Amsterdam. De identificatie van de gemodificeerde GAP-eiwitten zal worden uitgevoerd door een onderzoeker met expertise in de screening van gerandomiseerde sequentiebibliotheken en celgebaseerde testen aan het VUmc, terwijl de structurele karakterisering van actieve GAP-eiwitten en het ontwerp van kandidaat-peptidegeneesmiddelen zal worden verzekerd door experts in structuurbepaling, ontwerp en synthese van peptidegeneesmiddelen.
De resultaten van dit project zullen door middel van publicatie in open access biomedische tijdschriften en presentaties op internationale bijeenkomsten worden gedeeld om nieuwe samenwerkingen en verdere ontwikkeling van aanpak te stimuleren. Als de resultaten duiden op de identificatie van een veelbelovend kandidaat-peptidegeneesmiddel, willen we de bevindingen ook communiceren naar het grote publiek en kankerpatiënten via de PR-afdeling van het Amsterdam UMC en de VU, alsmede via sociale mediaplatforms.