Identification of copper metabolism as a KRAS-specific vulnerability in colorectal cancer

KRAS est parmi les gènes les plus fréquemment mutés dans les cancers humains, tel que ~ 45% des cancers colorectaux (CCR). Malgré les efforts déployés pour réduire son potentiel oncogénique, KRAS muté est fréquemment associé à la résistance aux médicaments et est extrêmement difficile à cibler sur le plan thérapeutique. Les protéines à la surface cellulaire sont souvent dérégulées dans les cancers et sont des cibles thérapeutiques attrayantes en raison de leur accessibilité aux anticorps. Nous avons séquençé les ARNm de cellules épithéliales intestinales exprimant KRAS muté et observé que ces dernières présentaient des changements importants dans les gènes codant pour des protéines de surface cellulaire. Par conséquent, notre objectif était d'identifier de nouvelles cibles thérapeutiques exprimées à la surface de cellules transformées par l’oncogène KRAS. En utilisant une approche de pointe en protéomique de surface cellulaire, nous avons identifié plusieurs protéines différentiellement exprimées dans les cellules avec KRAS muté par rapport à leurs homologues de type sauvage. Nous avons ensuite effectué un crible CRISPR/Cas9 basé sur les protéines de surface cellulaire, qui a révélé que la perte de la protéine Atp7a affectait de manière différentielle les cellules épithéliales intestinales, en fonction de leur statut KRAS. De façon intéressante, nous avons constaté que ATP7A était régulé à la hausse dans les cellules avec KRAS muté par rapport à leurs homologues de type sauvage. ATP7A a un double rôle dans les cellules; alors qu'il est essentiel pour la maturation des enzymes dépendantes du cuivre (Cu), ATP7A protège les cellules d'une toxicité excessive induite par le Cu (cuproptose). Chez l'homme, les mutations dans ATP7A entraînent des troubles caractérisés par des déficiences systémiques dans le transport et les niveaux de Cu. Chez les animaux et dans les modèles de culture cellulaire, tel que les cellules épithéliales intestinales, les niveaux intracellulaires de Cu sont directement corrélés avec l'abondance post-transcriptionnelle d'ATP7A. Dans le même ordre d'idées, nous avons observé que les cellules de CCR avec KRAS muté avaient relativement plus de Cu intracellulaire, et la surexpression d'ATP7A protégeait les cellules KRAS muté de la cuproptose, par rapport à leurs homologues de type sauvage. Nous avons également observé que la croissance in vivo des xénogreffes KRAS mutées était réduite lorsque les souris étaient nourries avec un régime pauvre en Cu. Le Cu est utilisé par plusieurs enzymes qui régulent des fonctions cellulaires critiques, notamment la respiration mitochondriale, la motilité cellulaire et la prolifération. Nous montrons que les cellules mutantes KRAS étaient plus sensibles au chélateur de Cu, ammonium tetrathiomolybdate (TTM), par rapport aux cellules de type sauvage. De plus, les cellules avec KRAS muté traitées avec le TTM ont présenté des activités réduites de MEK1/2 dépendant du Cu et de l'enzyme de la chaîne de transport d'électrons mitochondriale, cytochrome c oxidase (CCO). Nous avons été surpris de constater que le transporteur de Cu de haute affinité, CTR1, est régulé à la baisse dans les cellules avec KRAS muté, et avons donc émis l'hypothèse que les cellules KRAS mutées doivent absorber le Cu par d'autres moyens. Ainsi, nous avons constaté que la macropinocytose agit comme une voie non canonique d'approvisionnement en Cu dans les cellules avec KRAS muté. Le traitement de cellules in vivo avec l'inhibiteur de la macropinocytose, EIPA, a inhibé l'expression d'ATP7A et diminué le Cu biodisponible dans les xénogreffes KRAS mutées. En conclusion, nos résultats montrent que les cellules avec KRAS muté augmentent les niveaux de Cu et d'ATP7A pour soutenir la tumorigenèse en augmentant l'activité cuproenzymatique et diminuant la cuproptose. Cette étude est pertinente pour le cancer, car les tissus tumoraux contiennent fréquemment des niveaux de Cu plus élevés que les tissus normaux. Des études récentes ont mis en évidence un potentiel de repositionnement du chélateur de Cu TTM, qui est disponible en clinique et utilisé pour traiter les troubles du Cu. Nos résultats démontrent que la biodisponibilité du Cu pourrait être exploitée pour traiter le CCR avec KRAS muté avec de tels inhibiteurs. Les travaux futurs comprennent l'identification de stratégies combinatoires qui peuvent être améliorer les effets anti-cancéreux de la chélation du Cu. KRAS is amongst the most frequently mutated genes driving human cancers, including ~ 45% of colorectal cancers (CRC). Despite intense efforts to curb its oncogenic potential, mutant KRAS is frequently associated with drug resistance and is extremely challenging to target therapeutically. Cell-surface proteins are often spatially dysregulated in cancers and are attractive therapeutic targets due to their easy accessibility. We performed RNA sequencing of mutant KRAS-expressing intestinal epithelial cells and observed that cells undergoing transformation exhibited dramatic changes in cell surface-coding genes. Therefore, our goal was to identify novel druggable targets expressed at the cell surface of mutant KRAS-transformed cells. Using a cutting-edge cell surface proteomics approach, we identified several differentially expressed proteins at the surface of KRAS-mutant cells compared to wild-type counterparts. We then performed a cell surface based CRISPR/Cas9 screen, which revealed that loss of the copper exporter Atp7a differentially affected the fitness of intestinal epithelial cells, depending on their KRAS status. Interestingly, we found that ATP7A was upregulated in KRAS-mutant cells compared to wild-type counterparts. ATP7A has a dual role in cells; while it is essential for maturation of copper (Cu)-dependent enzymes, ATP7A protects cells from excess Cu-induced toxicity (cuproptosis). In humans, ATP7A mutations result in disorders characterized by systemic deficiencies in Cu transport and levels. In animals and in tissue culture models, including intestinal epithelial cells, intracellular Cu levels are directly correlated with the post-transcriptional abundance of ATP7A. In line with this, we observed that KRAS-mutant CRC cells and tissues had relatively more intracellular Cu, and ATP7A-overexpression protected KRAS-mutant cells from cuproptosis, compared to wild-type counterparts. We also observed that in vivo growth of KRAS-mutant xenografts was reduced when mice were fed a Cu-deficient diet. Cu is utilized by several enzymes that regulate critical cellular functions including mitochondrial respiration, cell motility and proliferation. We show that KRAS-mutant cells were more sensitive to the Cu chelating drug ammonium tetrathiomolybdate (TTM), compared to wild-type cells. Moreover, TTM-treated KRAS-mutant cells displayed reduced activities of Cu-dependent MEK1/2 and mitochondrial electron transport chain enzyme, cytochrome c oxidase (CCO). We were surprised to find that the high-affinity CTR1 importer is downregulated in KRAS-mutant cells, and so we hypothesized that KRAS cells must uptake Cu through alternate means. In accordance with this, we found that macropinocytosis acts as a non-canonical Cu-supply route in KRAS-mutant cells. In vivo, treating cells with the macropinocytosis inhibitor EIPA, inhibited the expression of ATP7A and decreased bioavailable Cu in KRAS xenografts. In conclusion, our results show that KRAS-mutant cells increase Cu and ATP7A levels, likely to support tumorigenesis by elevating cuproenzymatic activity and parallelly dealing with cuproptosis. This study is relevant to cancer as tumor tissues and patients contain higher Cu levels than normal controls. Recent studies have highlighted a potential for repurposing the clinically available copper chelator TTM, which is used to treat Cu disorders. Our results demonstrate that copper bioavailability could be exploited to treat KRAS-mutated CRC with such inhibitors. Future work includes identification of combinatorial strategies that may be synthetic lethal to copper chelation.

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