Genética y genómica del cáncer Avances en Genética Máster en Biotecnología y Bioingeniería

Transcripción

1 Instituto de Bioingeniería Universidad Miguel Hernández Genética y genómica del cáncer Avances en Genética Máster en Biotecnología y Bioingeniería María Rosa Ponce Molet 5 de marzo de 2015

2 Instituto de Bioingeniería Universidad Miguel Hernández Genética del cáncer

3 Reflexiones sobre el cáncer Es una de las causas más importantes de mortalidad en los países del primer mundo, por lo que existen grandes inversiones públicas y privadas en la investigación sobre el cáncer Algunos expertos pronostican que se controlará en pocos años, ya que se conocen mucho mejor sus bases moleculares La impresión generalizada es que hemos perdido la batalla contra el cáncer, al menos no la hemos ganado Varias preguntas en torno al cáncer: Por qué la lucha contra el cáncer es tan larga y poco productiva? Es el cáncer una cuestión de suerte? Intervienen otros factores? Son los tratamientos adecuados? Es realista la esperanza de controlar en pocos años el cáncer? 3

4 El cáncer es una enfermedad genética La limitación de la vida es característica de cada organismo, y es extensible a cada una de sus células somáticas, cuyo crecimiento y división está sometido a regulación Una excepción son las células cancerosas, que pueden proliferar en localizaciones inapropiadas o dividirse indefinidamente, propiedades que pueden resultar letales para el organismo del que forman parte 4

5 El cáncer es una enfermedad genética Se manifiesta a nivel celular, y en base al tejido afectado, se clasifican en más de 200 tipos y muchos más subtipos Es un proceso lento, en el que se van acumulando mutaciones en una única célula, precursora del tumor, que no se reparan La probabilidad de que esto ocurra es muy baja (tasa mutacional 10-8 /gen y célula), pero el cáncer sucede debido a que las mutaciones afectan a genes clave, conductores (drivers) del tumor, implicados en el control de la proliferación celular, la apoptosis y la reparación de lesiones 5

6 El cáncer es una enfermedad genética La progresión del cáncer es un ejemplo de un proceso de adaptación rápido, donde aparecen nuevas características celulares que son esenciales para su supervivencia Requiere un alta tasa mutacional Las células precancerosas adquieren unas pocas mutaciones clave, que modifican su fenotipo, que conducen a un crecimiento rápido de la población y a la carcinogénesis 6

7 Cambios fenotípicos a lo largo de la carcinogénesis No estamos programados para la inmortalidad La razón de que las células somáticas diferenciadas mueran espontáneamente es el acortamiento de los telómeros, ya que la enzima que los replica (la telomerasa) no se expresa Una célula cancerosa es inmortal y expresa constitutivamente la telomerasa apoptosis 7

8 Características de las células cancerosas Una célula normal decide dividirse o no en función de señales activadoras e inhibidoras procedentes de las células vecinas. Sin embargo, las tumorales son capaces de autoestimularse (autocrina) se insensibilizan ante señales inhibidoras de la proliferación celular 8

9 Cambios fenotípicos a lo largo de la carcinogénesis Una célula normal, en cultivo, no se divide más cuando establece contacto con sus vecinas (inhibición por contacto), las tumorales crecen apiladas Una célula normal establece canales de comunicación con otras células, las tumorales no 9

10 Cambios fenotípicos a lo largo de la carcinogénesis Una célula cancerosa ha perdido mecanismos de reparación de lesiones, por lo que las mutaciones se acumulan, incluidas las aberraciones cromosómicas 10

11 Cambios fenotípicos a lo largo de la carcinogénesis Cuando sufre un daño irreparable una célula normal, responde a señales apoptóticas, las tumorales no Las células cancerosas son propias, y escapan al sistema inmune Una célula normal no migra, las cancerosas adquieren la capacidad de diseminarse e invadir otros tejidos, incluso lejanos, viajando a través del torrente sanguíneo, y si se reproducen generan metástasis 11

12 Cambios fenotípicos a lo largo de la carcinogénesis En un individuo adulto no se forman nuevos vasos sanguíneos, las células cancerosas secretan sustancias que promueven el crecimiento de nuevos vasos sanguíneos (angiogénesis), por lo que pueden nutrirse mejor y proliferar angiogénesis 12

13 El cáncer es una enfermedad genética La progresión del cáncer es un ejemplo de un proceso de adaptación rápido, donde aparecen nuevas características celulares que son esenciales para su supervivencia Requiere un alta tasa mutacional Las células precancerosas adquieren unas pocas mutaciones clave, que modifican su fenotipo, que conducen a un crecimiento rápido de la población y a la carcinogénesis La carcinogénesis es una consecuencia de la selección natural entre células: La célula, con mas éxito evolutivo que sus vecinas, prolifera anormalmente escapando a los controles y generando un clon de células anormales (tumor) 13

14 Historia del cáncer La referencia más antigua se recoge en el papiro de Edwin Smith (siglo XVII antes de nuestra era) que se exhibe en la Academia de Medicina de Nueva York A diferencia de otros tratados de la época, es una aproximación científica, objetiva y racional a la medicina en el antiguo Egipto González Fisher y Flores Shaw, 2005

15 Historia del cáncer La enfermedad primero fue llamada cáncer por el médico griego Hipócrates ( antes de nuestra era) John Hunter ( ), médico escocés, sugirió que algunos cánceres se pudieran curar por la cirugía (los no movibles, no extendidos) Rudolf Virchow ( ), médico alemán fundador de la patología celular, correlacionó la patología microscópica a la enfermedad Propuso que las células cancerosas provenían de otras células sanas Afirmaba que el patólogo podía informar al cirujano del éxito o fracaso en la eliminación de las células tumorales Hasta que la anestesia no estuvo disponible en los hospitales (1846), no fue posible estirpar tumores de forma rutinaria

16 Historia del cáncer Han existido numerosas teorías sobre las causas del cáncer y el origen de las células tumorales Procedencia: humoral (de Hipócrates a la edad media), linfa (siglo XVIII), infección (XVIII), blastema (siglo XIX), irritación crónica (XIX), trauma (XIX) A principios del XX se evidenció que el cáncer podía inducirse Yamagiwa e Ichikawa (1915) inducen cáncer en animales de laboratorio, aplicando alquitrán a la piel de conejos Rous (1911) describe un tipo de cáncer (sarcoma) en pollos, que años más tarde descubrió estaba causado por un virus Ganó el Premio Nobel en 1968 Hasta 2014, la IARC, agencia para la investigación del cáncer de la OMS, ha identificado más de 100 carcinógenos físicos, químicos y biológicos

17 Historia del cáncer A finales del siglo XIX comenzó a utilizarse la radioterapia en tratamientos contra el cáncer Un accidente durante la Segunda Guerra Mundial, que sufrieron soldados italianos expuestos al gas de mostaza, evidenció que producía la desaparición de las células de la médula ósea Los farmacólogos Alfred Gilman y Louis Goodman investigaron el efecto del gas mostaza en linfomas en ratones que mostraron remisiones significativas Se les considera los fundadores de la quimioterapia En los años 50 comienzan a aplicarse terapias dirigidas a la eliminación de las células tumorales, que interferían con la replicación, la división, transcripción o la traducción

18 La base de la quimioterapia

19 La base de la quimioterapia

20 El cáncer, una alteración del desarrollo La base de la quimioterapia 20

21 La base de la quimioterapia

22 Historia del cáncer En los años 70 comienzan a desarrollarse las herramientas de Ingeniería genética que permiten acceder al material genético, y se descubren los primeros genes asociados al cáncer En la actualidad se conocen 4 tipos de genes, cuyas mutaciones se relacionan con el cáncer Genes supresores de tumores: Sus productos inhiben la división celular Protooncogenes: Sus productos estimulan la división celular microarn: Algunas de sus dianas son protooncogenes o genes supresores de tumores Genes mutadores: Implicados en la replicación o en la reparación de lesiones en el ADN (se consideran también genes supresores de tumores)

23 Genes Bases supresores genéticas del cáncer tumores Los productos de los genes supresores de tumores actúan inhibiendo la progresión de las células a través del ciclo celular, induciendo apoptosis y manteniendo la integridad del genoma Se clasifican según el papel que juegan: Genes guardianes (gatekeeper): Inhiben directament el crecimiento o promuevan la muerte celular (p53, Rb) Se encuentran mutados en los cánceres familiares Genes cuidadores (caretaker) del genoma: están implicados en la reparación de las alteraciones del ADN y en el mantenimiento de la integridad del genoma (BRCA1 y BRCA2, APC, MLH, MSH2 y MSH6) Sus mutaciones provocan la acumulación de mutaciones y reorganizaciones cromosómicas 23

24 Bases genéticas del cáncer Los oncogenes son versiones mutantes (activadas) de los protooncogenes Se pueden generar por mutaciones génicas o cromosómicas Las mutaciones génicas pueden ser: Puntuales y afectar a la región condificante o reguladora Deleciones que afecta a parte del gen Las cromosómicas pueden ser: Translocaciones e inversiones Amplificación génica (incremento del número de copias), generalmente como resultado de amplificaciones al azar de ciertas regiones del genoma También se generan por hipometilación de protooncogenes 24

25 Bases genéticas del cáncer

26 Bases genéticas del cáncer Zhang et al., 2006

27 El cáncer, una alteración del desarrollo La base de la quimioterapia La quimioterapia más actual combina agentes no específicos, que interfieren con la replicación, con otros más específicos 27

28 El cáncer, una alteración del desarrollo Bases moleculares de la quimioterapia Descubrir los mecanismos moleculares por los que actúan como antitumorales, con una referencia bibliográfica. Indicar también la empresa que lo ha comercializado y el año. Algunos nombres son comerciales y se debe encontrar el principio activo Indicar la empresa que los comercializa y el año en que se autorizó su uso Imetelstat Cisplatin (cisplatino) Arimidex (S)-crizotinib Methotrexate (metotrexato) 5-FU Novaldex En muchos tumores se sobreexpresa el gen MGMT y son resistentes a los agentes alquilantes usados en quimioterapia, por qué? 28

29 Historia del cáncer En la actualidad se emplea cirugía, radioterapia y quimioterapia Una tasa elevada de división dificulta la reparación de mutaciones, por lo que las células tumorales son más sensibles al efecto de la radiación Todas las células de un tumor? Todos los tumores? La primera prueba de cribado fue desarrollada en 1923, para la detección del cáncer de cuello del útero temprano 40 años después se popularizó la prueba, auspiciada por la American Cancer Society (ACS; Los métodos modernos de la mamografía fueron desarrollados a finales de los 60 (XX), y recomendados por la ACS en 1976 En la actualidad existen pruebas para la detección de los tipos de cáncer más comunes 29

30 Reflexiones sobre el cáncer 30

31 Un poco de epidemiología Se analizan tres parámetros: Incidencia Mortalidad Prevalencia 31

32 Un poco de epidemiología 32

33 Un poco de epidemiología 33

34 Un poco de epidemiología Cuando se analizan los datos separando países más y menos desarrollados, se observan diferencias notables en la incidencia: A qué puede deberse? Al azar? Si no, cómo establecer si la diferencias son debidas al genotipo o al ambiente, o a ambos? Ferlay et al.,

35 El cáncer es una enfermedad compleja Se considera una enfermedad multifactorial cuya incidencia aumenta con la edad Los más abundantes son los carcinomas, que afectan a los tejidos epiteliales que recubren las superficies externas e internas del cuerpo El epitelio tiene una alta capacidad de renovación 35

36 Origen celular del cáncer La mayoría se originan a partir de células epiteliales Se ha demostrado empleando líneas celulares humanas y en ratones Mediante la deleción y activación condicional de genes supresores de tumores y de oncogenes, respectivamente, se ha logrado establecer con precisión el origen celular de muchos tumores sólidos Blanpain, 2013 Expresión de un oncogén en distintos tipos celulares de un determinado tejido 36

37 Origen celular del cáncer Blanpain,

38 Origen celular del cáncer mama intestino pulmón próstata Blanpain,

39 El cáncer es una enfermedad compleja Se considera una enfermedad multifactorial cuya incidencia aumenta con la edad Los más abundantes son los carcinomas, que afectan a los tejidos epiteliales que recubren las superficies externas e internas del cuerpo El epitelio tiene una alta capacidad de renovación Los estudios citológicos han ido revelando que los tumores no son homogéneos (heterogeneidad intratumoral) Desde hace tiempo se sospechaba que no todas las células tenían la misma capacidad para inducir un tumor ni para propagarlo 39

40 Heterogenidad de los tumores: modelos Dos modelos antagónicos sobre la heterogeneidad celular en los tumores: Equipotencia de todas las células tumorales y de forma azarosa, unas deciden autorrenovarse y otras diferenciarse No equipotencia. Sólo un subconjunto de células tumorales tiene capacidad de autorrenovarse y originar células progenitoras, con una limitada capacidad proliferativa, que se diferencian Son las células madre cancerosas (cancer stem cell; CSC), cuya existencia se sospechaba desde hace mucho tiempo 40

41 Heterogenidad de los tumores: células madre del cáncer Las células madre normales (SC) mantienen la homeostasis de los tejidos a través de una serie controlada de divisiones simétricas y asimétricas Las divisiones asimétricas conducen simultáneamente a una célula progenitora que se diferenciará en el tejido correspondiente y a una SC Las CSC contribuyen al crecimiento tumoral al producir un excesivo número de divisiones simétricas para autorrenovarse Pine y Liu,

42 Heterogenidad de los tumores: modelos Para descubrir y confirmar la no equivalencia de los distintos tipos celulares en la propagación tumoral, se realizan ensayos de trasplantes en ratones Trasplante a ratones inmunodeprimidos TPC: tumour-propagating cell aislamiento por citometría de flujo 42

43 Heterogenidad de los tumores: células madre del cáncer Un tumor está compuesto de células tumorigénicas (CSC) y otras que no lo son, que constituyen el grueso de las células tumorales Las CSC tienen capacidad migratoria y de invasión de otros tejidos Son también resistentes a muchas de las drogas usadas en quimioterapia Pattabiraman y Weinberg,

44 El cáncer, una alteración del desarrollo Resistencia a la radioterapia de las CSC Las células son sensibles a radiación ionizante si reúnen tres propiedades: Tasa elevada de división, que dificulta la reparación de mutaciones Capacidad de división prolongada Fenotipo no especializado Se ha constatado que las células son más sensibles en la fase de mitosis que en cualquier otra Las CSC están mayoritariamente en las fases G1/G0 y son resistentes a la radioterapia Tienen la capacidad de hacerse quiescentes, y mantenerse largos periodos en fase G0 Las CSC tienen mecanismos de reparación más eficientes Tiene activadas rutas anti-apoptóticas 44

45 Heterogenidad de los tumores: células madre del cáncer Además de las CSC, existen otras células que rodean al tumor y que constituyen su microambiente El microambiente tumoral, cuya heterogeneidad se incrementa con la progresión del tumor, condiciona su comportamiento Flecha verde y roja, estimulación o inhibición de la formación del tumor 45

46 Heterogenidad de los tumores: células madre del cáncer Las células del microambiente secretan factores que estimulan la formación de CSC y las ayudan a mantener pluripotentes, y en un estadío casi mesenquimático Pattabiraman y Weinberg, 2014 En la transición epitelio-mesénquima se produce una pérdida de la capacidad de adhesion celular y una ganancia de capacidad migratoria e invasiva, necesarias para la metástasis 46

47 Heterogenidad de los tumores: células madre del cáncer Las CSC son muy resistentes a la quimioterapia convencional (tasa de proliferación baja) Se están desarrollando herramientas para la detección de CSC y terapias para su eliminación fármacos que bloquean los factores secretados por el microambiente tumoral y que inducen la transición epitelio-mesénquima Pattabiraman y Weinberg,

48 Terapias contra factores clave en las vías de transición epitelio-mesénquima

49 Heterogenidad de los tumores: modelos La heterogeneidad celular se incrementará con sucesivas mutaciones somáticas, generándose clones de distintos genotipos El número de clones diferentes se incrementará con la progresión del tumor El cáncer es pués policlonal, y cada clon puede responder de forma diferente a a las terapias 49

50 Instituto de Bioingeniería Universidad Miguel Hernández Genómica del cáncer

51 El cáncer, una alteración del desarrollo Genómina del cáncer Se ha constatado que las mutaciones conductoras se encuentran con otras miles en genes pasajeros, dispersas en el genoma, y que no son recurrentes en los pacientes Se ha asumido que son neutras y se las ha ignorado En los estadíos más avanzados, el tumor es habitualmente policlonal Las mutaciones conductoras pueden ser diferentes, en los diferentes clones Cada clon responderá de forma diferente al tratamiento Dancey et al.,

52 El cáncer, una alteración del desarrollo Genómica del cáncer Muchos procesos tumorales llevan años, incluso décadas antes de que generen letalidad o se manifiesten claramente La acumulación de mutaciones somáticas precede a los cambios en la morfología celular Las células que escapan a la quimioterapia pueden no detectarse por métodos patológicos tradicionales, y generar clones que serán dominantes en la recaída 52

53 El cáncer, una alteración del desarrollo Genómica del cáncer Para la caracterización de los distintos clones de un tumor deberían obtenerse diferentes biopsias, de cada clon observable Muchos clones minoritarios, no se detectan fácilmente La secuenciación masiva, con un cobertura muy alta, permitiría la detección de clones que supongan tan sólo 1% del tumor Se recomienda obtener una cobertura 80x (2 clones) 53

54 El cáncer, una alteración del desarrollo Ejemplo de un panel de cáncer La secuenciación masiva es de gran utilidad en cualquiera de las etapas del proceso tumoral 54

55 El cáncer, una alteración del desarrollo Genómica del cáncer Se emplean tres estrategias basadas en la secuenciación de ADN Se comenzó secuenciando con paneles de genes diana Mas tarde se iniciaron programas de secuenciación completa Mejor elección sin hipótesis de partida Gran potencial como herramienta de diagnóstico 55

56 El cáncer, Secuenciación una alteración dirigida del desarrollo (targeted gene sequencing) Se basa en la secuenciación de genes específicos (un panel de genes), cuyas mutaciones juegan un papel conocido en el cáncer Fácil de interpretar, podría ser la herramienta de diagnóstico futura, aunque la secuenciación completa se está abaratando 56

57 El cáncer, una alteración del desarrollo Secuenciación masiva: paneles La empresa Illumina ha sido pionera en la secuenciación masiva, y en el desarrollo de paneles para el diagnóstico del cáncer 57

58 El cáncer, una alteración del desarrollo Secuenciación masiva: paneles Paneles Snapshop y OncoCart Dancey et al.,

59 El cáncer, una alteración del desarrollo El proyectothe Cancer Genome Atlas (TCGA) Se inicia en 2006 en EEUU Supervisado y sufragado por el National Cancer Institute $150M para secuenciación $70M otros gastos Su objetivo es la caracterización molecular de 20 tipos de tumores Secuenciación Perfil de expresión miarn Metilación del ADN 59

60 El cáncer, una alteración del desarrollo Algunos resultados del proyecto The Cancer TCGA Kandoth et al.,

61 El cáncer, una alteración del desarrollo Algunos resultados del proyecto The Cancer TCGA AML: acute myeloid leukaemia BRCA: breast adenocarcinoma OV: ovarian carcinoma KIRC: kidney renal carcinoma UCEC: uterine endometrial carcinoma GBM: glioblastoma multiforme COAD/READ: colon and rectal carcinoma HNSC: head and neck squamous carcinoma BLCA: bladder urothelial carcinoma LUAD: lung adenocarcinoma LUSC: lung squamous carcinoma Algo llamativo? Kandoth et al.,

62 El cáncer, una alteración del desarrollo Algunos resultados del proyecto The Cancer TCGA La frecuencia de mutaciones en genes que están sujetos a selección positiva (127) es mucho mayor que el resto del genoma En el 90,3% de las muestras (3.0953) se detectó al menos una mutación en genes de las siguientes categorías: De reparación Receptores tirosina quinasa Implicados en rutas de transición epitelio-mesénquima Otras nuevas categorías: factores implicados en el splicing, proteólisis mediada por ubiquitinación, modificadores de histonas 62

63 Algunos resultados del proyecto The Cancer TCGA Kandoth et al., 2013 Porcentaje de muestras mutadas en cada tipo de tumor P53 fue el gen más frecuentemente mutado en la mayoría de los cánceres, lo que indica su relevancia en la tumorogénesis Confirma muchos resultados previos Otros genes están específicamente mutados en un tipo de tumor, lo que sugiere una relevancia más específica

64 Algunos resultados del proyecto The Cancer TCGA El número de mutaciones requeridas para el desarrollo tumoral en genes relacionados con el cáncer y otros significativamente mutados (127 identificados en este estudio) parece ser muy bajo (entre 2 y 6 en la mayoría de los casos), aunque no se han tenido en cuenta los reordenamientos SMG: Significantly mutated genes (127) Kandoth et al., 2013

65 El cáncer, una alteración del desarrollo El consorcio internacional del genoma del cáncer 65

66 El cáncer, una alteración del desarrollo El consorcio internacional del genoma del cáncer El acceso a los datos es gratuito, libre pero controlado 66

67 El cáncer, cuestión de suerte? Masticando los números para explicar el cáncer 67

68 El cáncer, cuestión de suerte?

69 El cáncer, cuestión de suerte? _b_ html 69

70 El cáncer, cuestión de suerte? 70

71 El cáncer, cuestión de suerte? 71

72 Un poco de epidemiología 72

73 Un poco de epidemiología 73

74 Un poco de epidemiología Ferlay et al.,

75 Un poco de epidemiología De Martel et al.,

76 Un poco de epidemiología De Martel et al.,

77 Un poco de epidemiología Muchos de los casos de cáncer relacionados con infecciones podrían haberse evitado, particularmente los asociados a HPV, H. pylori, HBV, and HCV La OMS recomienda la vacuna contra el HBV a todos los niños, lo antes posible tras el nacimiento De Martel et al.,

78 Un poco de epidemiología Datos de 2012 Ferlay et al.,