非小细胞肺癌不同KRAS突变型的治疗异质性及精准联合用药研究

Lung cancer is a type of malignant tumor with the highest mortality and morbidity in China, with KRAS mutations frequently occurring (a remarkable 30% in lung adenocarcinoma). KRAS mutant lung cancer associates with worse relapse, metastasis and survival compared to those lung cancer driven by other gene mutation. Direct pharmacological inhibition of KRAS has been a major challenge mainly due to that RAS has the much stronger affinity for GTP. An alternative strategy that has been applied in clinic is to target the key effectors of KRAS signaling downstream. However, many patients treated by such targeted therapy finally seriously suffer primary resistance or secondary resistance. Oncogenic mutations are most common at three loci: Gly12, Gly13, and Gln61, with the most frequently found G12C and G12V mutations in lung cancer. The diversity of KRAS mutation and molecular heterogeneity of tumorigenesis and activation of compensatory or parallel pathways are major sources of thwarting the current therapeutic strategy. However precision combination therapy of lung cancer driven by different KRAS mutation isoforms is in lack of exploration. Here, we will integrate omics data to systematically analyze treatment heterogeneity of KRAS mutation isoforms, identifying key genes associated with drug resistance, elucidating the molecular mechanism of treatment heterogeneity. Our predicted combination therapies of KRAS mutation isoforms will be experimentally validated and the mechanism of synergy effects for the effective combinations will be further unraveled. This study will provide novel insights on the promise of combination therapies in precision cancer medicine, showing important theoretical significance and practical value in KRAS mutant lung cancer.

肺癌是我国发病率和死亡率最高的恶性肿瘤，其中约30%肺腺癌是KRAS突变型，KRAS突变型具有较高复发和转移率。目前无直接作用于KRAS的药物，而抑制KRAS下游通路效应基因是现行的治疗策略，但该策略对部分病人存在原发或继发性耐药。98%的KRAS突变发生在第12位(G12)、13位(G13)和61位(Q61)，肺癌以G12C和G12V突变频率最高，不同KRAS突变型构象多样化及所驱动的肿瘤形成和内部代偿或并行通路应激异质性正是治疗失败的关键。开展针对不同KRAS突变型的多靶点用药是解决该问题的有效途径，但目前尚缺乏相关研究。因此，本研究旨在锚定KRAS突变的非小细胞肺癌精准医疗这一重要科学问题，通过组学数据的整合分析揭示不同KRAS突变型的治疗异质性，逐步筛选其特异的耐药基因并制定精准联合用药方案进行验证，最终揭示联合用药发挥作用的分子机制。我们的研究成果将推动肺癌治疗向精准模式转化。

肺癌是我国发病率和死亡率最高的恶性肿瘤，其中约30%肺腺癌是KRAS突变型。相比其它类型肿瘤，KRAS突变型具有更高复发和转移率。目前没有直接作用于KRAS突变的药物，而抑制KRAS下游信号通路效应基因成为现行的治疗策略，但该策略对一部分病人存在原发或继发性耐药。因此，本研究旨在锚定KRAS突变的非小细胞肺癌精准医疗这一重要科学问题，通过整合高通量的药物基因组学数据，系统揭示了不同KRAS突变型肿瘤对MEK/ERK抑制剂的治疗异质性。并发展整合的药物基因组学分析流程逐步识别KRAS(G12C)突变肺癌中潜在的可克服MEK/ERK抑制剂耐药性的药物新靶点。我们进一步通过生物学的基因敲除、药理学和报告基因检测实验验证了分析预测的靶点。我们的研究揭示CK2可介导KRAS(G12C)突变肺癌对MEK抑制剂的耐药，但在非KRAS(G12C)突变或其它致癌基因（EGFR、BRAF或NRAS）突变肺癌中却无此作用。CK2可通过提高KRAS(G12C)突变肺癌中Wnt/β-catenin信号通路的活性导致对MEK抑制剂耐药，因此CK2可作为KRAS(G12C)突变肺癌的全新治疗靶点，联合CK2抑制剂可明显提高MEK抑制剂的治疗效果。另外，通过对KRAS下游效应子包括MAPK通路和CDK蛋白的遗传干扰，我们确定CDK4和RAF1是KRAS突变肺腺癌的唯一靶标，其遗传失活可引起治疗应答而不会引起不可接受的毒性。CDK4和RAF1的失活可导致25％KRAS/p53驱动的晚期肺癌完全消退，但在部分消退的肿瘤中发现存在CDK4/RAF1耐药细胞群。通过对这些耐药细胞的转录组特征解析，我们揭示了两种独立的耐药细胞克隆，即“超甲基化”表型和“PI3K 激活”表型的耐药细胞。运用DNMT1抑制剂和CNIO-PI3K抑制剂可分别获得明显的治疗效果。最后，我们分析了KRAS突变肺腺癌的免疫异质性，识别两类明显的免疫亚型（冷肿瘤和热肿瘤），并从生物信息学分析层面揭示了潜在的关键免疫调控因子做后期的实验验证。综上，我们的研究成果揭示了非小细胞肺癌治疗耐药的分子基础并提供了全新的治疗方案，将推动肺癌治疗向精准模式转化。