Regulation of RAS-GTPase Activity by Oncofetal Chondroitin Sulfate (Chondroitin 4-Sulfate) and Arylsulfatase B

Kanker begint vaak met één kapotte schakelaar binnen een cel. Deze schakelaar is een eiwit genaamd RAS, dat fungeert als een poortwachter voor celgroei. Wanneer de poort gesloten is, blijft de cel rustig; wanneer de poort openstaat, ontvangt de cel het signaal om te delen. In veel agressieve tumoren blijft deze poort in de open positie hangen, waardoor cellen ongecontroleerd gaan vermenigvuldigen. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd deze kapotte schakelaar te repareren, maar de vorm van het eiwit maakt het bijna onmogelijk voor standaardmedicijnen om er grip op te krijgen. Hoewel recente medicijnen hebben geleerd om specifieke kapotte versies van deze schakelaar aan te pakken, werken ze niet voor elke patiënt, en vindt kanker vaak een manier om ertegen resistent te worden. Dit heeft ervoor gezorgd dat onderzoekers op zoek gingen naar een andere strategie: in plaats van te proberen de kapotte schakelaar direct te repareren, zoeken ze naar manieren om het signaal uit te schakelen dat de schakelaar vertelt dat hij open moet blijven staan.

Een nieuwe studie van onderzoekers van het Jesse Brown VA Medical Center verkent een verrassende weg naar de oplossing voor dit probleem. Ze ontdekten dat de activiteit van de RAS-schakelaar diep verbonden is met een suikermolecuul dat zich op het oppervlak van cellen bevindt, bekend als chondroïtine-4-sulfaat. Deze suiker is onderdeel van een grotere familie van moleculen die onze cellen bedekken en fungeren als een soort beschermende deken of een communicatienetwerk. De onderzoekers richtten zich op een enzym genaamd arylsulfatase B, dat werkt als een paar moleculaire scharen. De taak ervan is om een specifieke chemische tag, een sulfaatgroep, van de chondroïtine-4-sulfaatsuiker af te knippen. Wanneer dit enzym normaal werkt, houdt het de suiker in een specifieke staat. Maar wanneer het enzym ontbreekt of wordt uitgeschakeld, stapelt de suiker zich op met te veel sulfaattags eraan vast.

Het team wilde zien wat er gebeurt met de RAS-schakelaar wanneer dit suikerbalans wordt verstoord. Ze werkten met menselijke melanoomcellen, een type huidkanker, evenals normale huidcellen en cellen uit de darm. In het laboratorium gebruikten ze een precieze methode om het gen dat het arylsulfatase-enzym maakt, uit te schakelen. Zoals ze verwachtten, zorgde het uitschakelen van het enzym ervoor dat de chondroïtine-4-sulfaatsuiker zich ophoopte. Wat ze daarna ontdekten, was opmerkelijk: de RAS-schakelaar, die eigenlijk stil zou moeten zijn, sprong plotseling naar zijn actieve staat. De activiteit van deze schakelaar steeg spectaculair, met wel 222 procent in sommige gevallen. Omgekeerd, toen de onderzoekers een kunstmatige versie van het enzym terug in de cellen voegden, daalden de suikerniveaus en nam de activiteit van de RAS-schakelaar met meer dan de helft af. Dit patroon hield niet alleen stand in een kweekbak met cellen, maar ook in muizen met melanoomtumoren, waarbij de behandeling van de dieren met het enzym de activiteit van de RAS-schakelaar in hun long- en huidtumoren verminderde.

Om te begrijpen hoe een suikermolecuul een eiwitschakelaar kan controleren, volgden de onderzoekers de tussenliggende stappen. Ze ontdekten dat de opbouw van de gesulfateerde suiker de manier waarop andere moleculen in de cel met elkaar interageren, verandert. Specifiek vindt een eiwit genaamd galectine-3, dat normaal gesproken aan de suiker plakt, het moeilijker om te binden wanneer de suiker overbelast is met sulfaattags. Hierdoor blijft galectine-3 vrij zwevend in de cel. Dit vrij zwevende eiwit zet vervolgens een kettingreactie in gang die de productie van een ander eiwit genaamd EGFR verhoogt. EGFR is een receptor op het celoppervlak die fungeert als een antenne die luistert naar groeisignalen. Wanneer er meer van deze antenne aanwezig is, wordt de cel hypergevoelig voor groeisignalen, wat op zijn beurt de RAS-schakelaar dwingt om open te blijven. De onderzoekers bevestigden dit door aan te tonen dat als ze de productie van EGFR blokkeerden of de signaleringsstappen die hiertoe leiden stopzetten, de piek in RAS-activiteit verdween, zelfs wanneer de suikerniveaus hoog waren.

De studie onderzocht ook hoe de cel deze sulfaattags in de eerste plaats aanmaakt. De tags worden toegevoegd door enzymen genaamd sulfotransferases, die vertrouwen op een universele brandstofbron genaamd PAPS. Toen de onderzoekers de hoeveelheid van deze brandstofbron verminderden, daalde de algehele activiteit van de RAS-schakelaar licht, wat suggereert dat het vermogen van de cel om zijn suikers te sulfateren direct gekoppeld is aan hoe hard de RAS-schakelaar werkt. Interessant genoeg ontdekten ze dat niet alle suikermodificerende enzymen hetzelfde effect hadden. Het verwijderen van het vermogen om een ander type tag, een zes-sulfaatgroep, veranderde de RAS-schakelaar helemaal niet. Dit bevestigde dat de specifieke vier-sulfaattag op de chondroïnetine-suiker de cruciale factor is die de verandering aanstuurt.

De connectie tussen de suiker en de schakelaar is zo sterk dat de onderzoekers een bijna perfecte overeenkomst vonden tussen de hoeveelheid chondroïtine-4-sulfaat in de cellen en de activiteit van de RAS-schakelaar. Naarmate de suikerniveaus stegen, steeg de activiteit van de schakelaar in hetzelfde tempo mee. Ze testten ook een eiwit genaamd VAR2CSA, dat bekend staat om het stevig binden aan dit specifieke type suiker. Ze ontdekten dat wanneer de suikerniveaus hoog waren door het gebrek aan het enzym, VAR2CSA er veel sterker aan bond, wat bevestigde dat de structuur van de suiker inder herschapen was op een manier die de interacties met andere eiwitten veranderde.

Dit werk suggereert een nieuwe manier om kankergroei te controleren. In plaats van te proberen de kapotte RAS-schakelaar te dwingen te sluiten, is het mogelijk om de niveaus van de specifieke suiker die hem openhoudt, te verlagen. Door de activiteit van het arylsulfatase-enzym te herstellen of de productie van de gesulfateerde suiker te blokkeren, is het mogelijk om het volume van de groeisignalen die tumoren aandrijven, zachter te zetten. De onderzoekers merken op dat hoewel er nieuwe medicijnen worden ontwikkeld om specifieke mutaties in het RAS-eiwit aan te pakken, deze benadering een ander perspectief biedt dat bij veel verschillende soorten kanker zou kunnen werken, ongeacht de specifieke mutatie die aanwezig is. De bevindingen wijzen op een biologisch pad waarbij de chemie van suikermoleculen op het celoppervlak het gedrag van de beroemdste drijvers van kanker kan dicteren, wat een nieuw doelwit biedt voor toekomstige therapieën.