Serine 284 as a regulator of ERK2 dimerization and cellular localization

Abstract

ABSTRACT: Signals conveyed through ERK1/2 Mitogen-Activated Protein Kinases are well-known to play a critical role in cancer initiation, progression, and therapy resistance. It has been demonstrated that the balance between ERK monomers and dimers and cytoplasmic and nuclear sub-signals are critical for the biological outcomes resulting from ERK activation subcellular distribution. Studying the efficacy of DEL22379, a new compound that blocks ERK dimerization, we made the startling observation that ERK dimerization was restricted to mammalians. A comparison of the ERK2 sequence through the evolutionary scale unveiled that Serine284 (H.sapiens) was conserved in those species in which ERK2 dimerized, being suggestive of playing some role in ERK2 dimerization. Indeed, we have shown that Ser284 is necessary but not sufficient for ERK2 dimerization. Moreover, Ser284 is a phosphorylatable residue of ERK2, being a cytoplasmic marker of active ERK2. This phosphorylation, mediated by MEK1 and AKT1, enhances ERK affinity for the scaffold KSR1 and reduces ERK2 interaction with nuclear shuttles like IMP7; being critical for the regulation of ERK2 subcellular distribution. In addition, the sensitivity to BRAF mutant melanoma cells to vemurafenib treatment correlates with higher levels of phospho-Ser284. Thus, p-Ser284 levels could be used as a predictive biomarker for the response to vemurafenib in BRAF positive melanoma patients.

RESUMEN: La señalización a través de la ruta de las MAP kinasas ERK1/2 está claramente implicada en el desarrollo y progresión tumoral, así como en la aparición de resistencias. Se ha demostrado que el equilibrio entre los monómeros y los dímeros de ERK y su señalización citoplasmática y nuclear son críticas para los efectos biológicos debidos a su activación en función de su distribución subcelular. Estudiando los efectos de DEL22379, un inhibidor de la dimerización de ERK, hicimos el sorprendente descubrimiento de que ERK2 dimeriza solo en mamíferos. A través de la comparación de la secuencia de ERK en distintas especies observamos que el residuo Ser284 (en humano) estaba conservado en aquellas especies donde ERK dimeriza, lo que sugiere que podría jugar un papel importante en la dimerización de ERK2. En efecto, hemos demostrado que la fosforilación de la Ser284 es necesaria pero no suficiente para la dimerización de ERK2. Dicha fosforilación, que es mediada por MEK1 y AKT1, aumenta la afinidad de ERK2 por el scaffold KSR1 y reduce la afinidad por proteínas transportadoras nucleares como la IMP7; siendo crítica para la regulación de la distribución subcelular de ERK2. Además, aquellas células tumorales de melanoma portadoras de la mutación en BRAF, sensibles al tratamiento con Vemurafenib, muestran una mayor fosforilación en Ser284. Por tanto, los niveles de p-Ser284 podrían servir como biomarcador predictivo de respuesta al tratamiento con Vemurafenib en pacientes con melanoma.