Universität zu Köln

Müller, Fabienne ORCID: 0000-0002-5845-6305 (2023). Oncogenic KRAS renders cells resistant to ferroptosis by upregulating FSP1. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

RAS genes are the most frequently mutated oncogenes across human cancers and mutations in RAS lead to malignant transformation, tumor initiation and tumor maintenance. Mutant KRAS is the most common and most aggressive isoform and occurs in the deadliest cancers worldwide. One key feature of oncogenic KRAS expression is the upregulation of reactive oxygen species (ROS). Moderate ROS levels activate several cancer cell progressions and promote cellular transformation, whereas increased ROS levels result in cell death. The exact mechanism how cells with elevated ROS levels due to oncogenic KRAS expression escape cell death remains still unknown. Here, we identified in an isogenic cellular system that expression of oncogenic KRAS compared to wild type renders cells more resistant to ferroptosis, a recently recognized form of regulated cell death. In this study, we found that KRAS-G12D-expressing cells exhibit basal higher general and lipid ROS levels and are protected from lipid peroxidation upon ferroptosis induction. Moreover, our study revealed that KRAS-mutant cells increase ferroptosis suppressor protein 1 (FSP1) expression to protect cells from lipid peroxidation. In particular, we discovered that FSP1 is upregulated upon NRF2 activation. Additionally, we ascertained that FSP1 is enhanced as a consequence of KRAS mediated activation of mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway. Strikingly, for the first time we showed that elevated FSP1 expression in KRAS-WT cells in vitro promotes cellular transformation in soft agar assays and spheroid growth in spheroid assays. Furthermore, our study revealed that FSP1 overexpression in KRAS-WT tumors accelerates tumor onset - in the absence of oncogenic KRAS-G12D - in vivo. Additionally, this study demonstrated that only pharmacological induction of ferroptosis in combination with FSP1 inhibition decreases pancreatic organoids derived from LsL-KRAS-G12D expressing mouse models. Interestingly, we determined that in cancer types with high KRAS mutational frequencies such as non-small cell lung cancer (NSCLC), colorectal cancer (CRC) and pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) FSP1 expression is increased compared to the respective original tissue. Moreover, FSP1 upregulation correlates with NRF2 expression in PDAC patient datasets. Taken together, our work contributes to the understanding of oncogenic KRAS induced ferroptosis resistance and FSP1 regulated ferroptosis protection. Hence, we propose that KRAS mutant cells upregulate FSP1 to overcome ferroptosis during cellular transformation and tumor establishment. Therefore, we suggest considering FSP1 suppression in combination with ferroptosis inhibition as a clinical therapy option to treat cancer patients harboring a KRAS-mutation.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language RAS-Gene sind die am häufigsten mutierten Onkogene bei menschlichen Krebserkrankungen und RAS-Mutationen führen zu bösartiger Transformation, Tumorentstehung und Tumorerhaltung. Mutiertes KRAS ist die häufigste und aggressivste Isoform und kommt bei den tödlichsten Krebsarten weltweit vor. Ein Hauptmerkmal der onkogenen KRAS-Expression ist die Hochregulierung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS). Moderate ROS-Konzentrationen aktivieren mehrere Krebszellen und fördern die Zelltransformation, während erhöhte ROS-Konzentrationen zum Zelltod führen. Der genaue Mechanismus, wie Zellen mit erhöhten ROS-Werten aufgrund einer onkogenen KRAS-Expression dem Zelltod entgehen, ist noch unbekannt. Wir haben in einem isogenen Zellsystem festgestellt, dass die Expression von onkogenem KRAS im Vergleich zum Wildtyp die Zellen resistenter gegen Ferroptose macht, eine kürzlich anerkannte Form des regulierten Zelltods. In dieser Studie fanden wir heraus, dass KRAS-G12D-exprimierende Zellen basal höhere allgemeine und Lipid-ROS-Werte aufweisen und bei Ferroptose-Induktion vor Lipidperoxidation geschützt sind. Außerdem zeigte unsere Studie, dass KRAS-mutierte Zellen die Expression des Ferroptose-Suppressor Proteins 1 (FSP1) erhöhen, um die Zellen vor Lipidperoxidation zu schützen. Wir entdeckten, dass FSP1 bei NRF2-Aktivierung hochreguliert wird. Darüber hinaus konnten wir feststellen, dass FSP1 durch die KRAS-vermittelte Aktivierung des Mitogen-aktivierten Proteinkinase (MAPK)-Signalwegs verstärkt wird. Bemerkenswert ist, dass wir zum ersten Mal zeigen konnten, dass eine erhöhte FSP1-Expression in KRAS-WT-Zellen in vitro die Zelltransformation in Soft-Agar-Experimenten und das Sphäroidwachstum in Sphäroid-Experimenten fördert. Darüber hinaus zeigte unsere Studie, dass die Überexpression von FSP1 in KRAS-WT-Tumoren das Auftreten von Tumoren - in Abwesenheit von onkogenem KRAS-G12D - in vivo beschleunigt. Weiterhin konnte in dieser Studie gezeigt werden, dass nur die pharmakologische Induktion der Ferroptose in Kombination mit der FSP1-Inhibition die Pankreasorganoide aus LsL-KRAS-G12D-exprimierenden Mausmodellen reduziert. Wir haben interessanterweise festgestellt, dass bei Krebsarten mit hoher KRAS-Mutationshäufigkeit wie dem nicht-kleinzelligen Lungenkrebs (NSCLC), dem kolorektalen Karzinom (CRC) und dem duktalen Adenokarzinom der Bauchspeicheldrüse (PDAC) die FSP1-Expression im Vergleich zum jeweiligen Ausgangsgewebe erhöht ist. Außerdem korreliert die Hochregulierung von FSP1 mit der NRF2-Expression in PDAC-Patientendatensätzen. Insgesamt trägt unsere Arbeit somit zum Verständnis der onkogenen KRAS-induzierten Ferroptose-Resistenz und des durch FSP1 regulierten Ferroptose-Schutzes bei. Wir gehen davon aus, dass KRAS-mutierte Zellen FSP1 hochregulieren, um die Ferroptose während der Zelltransformation und der Tumorbildung zu überwinden. Daher schlagen wir vor, die Unterdrückung von FSP1 in Kombination mit der Ferroptosehemmung als klinische Therapieoption zur Behandlung von Krebspatienten und Krebspatientinnen mit einer KRAS-Mutation in Betracht zu ziehen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Müller, Fabienne muellfabi@googlemail.com orcid.org/0000-0002-5845-6305 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-705908
Date:	2023
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	CECAD - Cluster of Excellence Cellular Stress Responses in Aging-Associated Diseases
Subjects:	Life sciences Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language KRAS English FSP1 English NRF2 English Cell Death English Ferroptosis English NSCLC English PDAC English CRC English
Date of oral exam:	13 February 2023
Referee:	Name Academic Title von Karstedt, Silvia Prof. Dr. Pasparakis, Manolis Prof. Dr. Riemer, Jan Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/70590