Genética del cáncer. Genética I Flávio Silva Junqueira de Souza. HeLa cells stained with Hoechst TenOfAllTrades, Wikimedia Commons

Transcripción

1 Genética del cáncer Genética I Flávio Silva Junqueira de Souza HeLa cells stained with Hoechst TenOfAllTrades, Wikimedia Commons

2 Multicelularidad - organismos multicelulares (especialmente animales, hongos y plantas) son comunidades de células que cooperan entre si y funcionan como un ecosistema cuyo objetivo es la reproducción a través de células germinales (gametas) multicelularidad surgió de manera independiente en muchos linajes universe-review.ca

3 Multicelularidad - organismos multicelulares (especialmente animales, hongos y plantas) son comunidades de células que cooperan entre si y funcionan como un ecosistema cuyo objetivo es la reproducción a través de células germinales (gametas) biocyclopedia.com los animales son comunidades de células particularmente complejas

4 Multicelularidad tienen las distintas células de un organismo el mismo genoma? sí cómo se genera la diversidad de células que componen un organismo complejo? regulación génica durante el desarrollo

5 Multicelularidad - en los organismos multicelulares cada célula "sabe" cuando tiene que dividirse, cuando tiene que estar quiescente, cuando tiene que diferenciarse y cuando tiene que morir (apoptosis) gametas fertilización cigota desarrollo embrionario crecimiento adulto

6 Multicelularidad - en los organismos multicelulares cada célula "sabe" cuando tiene que dividirse, cuando tiene que estar quiescente, cuando tiene que diferenciarse y cuando tiene que morir (apoptosis) - la embriogénesis y el crecimiento dependen de 4 procesos celulares básicos: proliferación (mitosis), especialización (diferenciación), interacciones entre células (por señales extracelulares) y movimiento celular (migración, colonización de tejidos) Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008

7 Cáncer - ocurre cuando una o más células del cuerpo escapan a los controles sociales y se dividen, diferencian y migran de manera descontrolada, comprometiendo la supervivencia de la comunidad multicelular células cancerosas se reproducen sin respetar los límites naturales que restringen la división y el crecimiento celular invaden y colonizan territorios que no les corresponden (metástasis)

8 Cáncer : conceptos básicos - tumor (neoplasia): masa de células generada a partir de la proliferación descontrolada de una célula inicial tumor benigno: neoplasia no invasiva, con límites definidos, fácil de remover y curar tumor maligno: neoplasia con células que invaden tejidos vecinos, causa cáncer Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008

9 Cáncer : conceptos básicos - algunos tipos de tumores carcinomas: tumores malignos derivados de células epiteliales; son los más comunes en humanos (80% del total) sarcomas: tumores malignos derivados de células del tejido conectivo o músculo linfomas y leucemias: tumores malignos derivados de células de la sangre melanomas: tumores malignos derivados de melanocitos de la piel gliomas: tumores derivados de células del tejido nervioso (glia)

10 Cáncer : conceptos básicos - segunda causa de muerte en el mundo (12.6% de las muertes) - en el mundo desarrollado, es responsable de 26.6% de las muertes Cancer Facts & Figures (cancer.org)

11 Cáncer : conceptos básicos - el cáncer es un conjunto de enfermedades de origen genético - células tumorales son mutantes con alteraciones genéticas y epigenéticas. Muchas mutaciones son necesarias para el desarrollo del cáncer - están afectados genes relacionados al control del ciclo celular, diferenciación y desarrollo (proteinas de control de mitosis y apoptosis, factores de transcripción, proteinas de transducción de señales extracelulares, polimerasas de DNA, proteinas de reparación del DNA, proteinas de regulación de marcas cromatínicas etc) - pueden tener alteraciones cromosómicas (translocaciones, duplicaciones, deleciones) - células tumorales con proliferación eficiente son seleccionadas por selección natural - en algunos casos tumores son causados por genes introducidos por infección viral (transducción)

12 Cáncer : conceptos básicos - de acuerdo a sus factores causales, los cánceres pueden ser clasificados como esporádicos, genéticos (hereditarios) y infecciosos cánceres esporádicos (90% de los casos) ocurren tarde en la vida (>55 años) como el melanoma, cáncer de mama, cáncer de cólon, cáncer de pulmón etc. Son el resultado de la lenta acumulación de mutaciones a lo largo de la vida cánceres hereditarios (5-10% de los casos) ocurren más temprano en la vida y afectan varios miembros de la família (cáncer de mama hereditario, anemia de Falconi etc). Estos pacientes poseen alelos heredados de la familia que fuertemente predisponen al cáncer cánceres infecciosos son desencadenados por infecciones con ciertos virus. Ejemplos: cáncer cervical (vírus virus del papiloma humano - HPV), carcinoma hepatocelular (vírus de hepatitis B y C), sarcoma de Kaposi (herpesvirus humano 8 - HHV8) etc - en general, factores hereditarios y infecciosos predisponen al cáncer pero también dependen de la acumulación de mutaciones subsecuentes para efectivamente generar la enfermedad

13 Cáncer : loteria - el desarrollo del cáncer depende de varios factores: - tendencias genéticas (alelos que predisponen al cáncer) - exposición a factores ambientales (radiación UV; mutágenos en dieta, patógenos etc) - azar (acumulación de una "correcta" combinación de mutaciones y alteraciones epigenéticas que cause tumores malignos) Greaves (2007) Nat Rev Cancer

14 Cáncer : loteria - el desarrollo del cáncer depende de la acumulación de varias mutaciones humanos poseen aproximadamente células que pasan por divisiones celulares durante una vida. La frecuencia de mutación espontánea es de 10-6 por gen por división celular (diez mil millones) ocasiones para mutar algún gen que afecte la concordia del organismo multicelular - dado los errores intrínsecos de la replicación del DNA, las mutaciones son algo natural y el cáncer es un fenómeno natural en seres multicelulares - si una única mutación fuera suficiente para causar cáncer, los humanos y otros animales serían inviables como organismos multicelulares

15 Cáncer : loteria - dados los errores intrínsecos de la replicación del DNA, las mutaciones son algo natural y el cáncer es un fenómeno natural en seres multicelulares tumor de origen metastático en un hueso de dinosaurio The very best dad jokes Rothschild et al (1999) Lancet

16 Cáncer : loteria - el desarrollo del cáncer depende de la acumulación de varias mutaciones - evidencia: frecuencia de cáncer aumenta con la edad (fase lag seguida de fase exponencial), lo que indica que muchas mutaciones tienen que ocurrir a lo largo de la vida - si una única mutación fuera suficiente los tumores malignos serían comunes en edades tempranas - la presión de selección en nuestra especie en contra del desarrollo de cáncer no es muy fuerte por su ocurrencia tardía (muchos después de la edad reproductiva) Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008 edad de incidéncia de cáncer de cólon en mujeres en el Reino Unido

17 Cáncer : loteria - el desarrollo del cáncer depende de la acumulación de varias mutaciones - evidencia: aun después de intensa exposición a mutágenos, el cáncer tarda en desarrollarse (habitantes de Hiroshima & Nagasaki - 5 años; fumadores - 20 años, etc) inicio de cáncer de vejiga en trabajadores expuestos a 2-naftilamina de acuerdo al tiempo de exposición al mutágeno

18 Cáncer : ambiente - factores ambientales son importantes en el desarrollo de tumores evidencia: poblaciones de inmigrantes (con composición genética semejante) cambian la frecuencia de cánceres de acuerdo al lugar en dónde viven aumento en la frecuencia del cáncer disminución en la frecuencia del cáncer

19 Cáncer : ambiente - factores ambientales son importantes en el desarrollo de tumores: fumo, dieta, infecciones - cerca de 80-90% de los casos de cáncer serían, en princípio, evitables

20 Cáncer : pulmón Cancer Facts & Figures (cancer.org) - en muchos países la mortalidad por cáncer de pulmón cae por campañas anti-tabaco

21 Cáncer : cuello del útero Cancer Facts & Figures (cancer.org) - mortalidad del cáncer cervical puede ser reducido por exámenes periódicos (Papanicolaou)

22 Cáncer : mama Cancer Facts & Figures (cancer.org) - mortalidad del cáncer de mama puede ser reducida por mejores exámenes. En algunos países aumenta por cambios en patrones de reproducción (retraso en embarazos)

23 Cáncer : factores fisiológicos - factores fisiológicos pueden tener efectos protectivos o promotores de tumores - para el cáncer de mama, la probabilidad de tener la enfermedad aumenta con la edad del primer hijo - el embarazo tiene un efecto "protector" para ese cáncer

24 Cáncer : aspectos generales - la mayoría de los tumores se origina de la proliferación de una única célula (origen monoclonal) - evidencia: tumores en mujeres en general muestran inactivación de un mismo cromosoma X (materno o paterno), indicando origen clonal

25 Cáncer : aspectos generales - la mayoría de los tumores se origina de la proliferación de una única célula (origen monoclonal) - evidencia: ciertos tumores muestran la misma alteración cromosómica en todas sus células. ejemplo: el "cromosoma Philadelphia" en la leucemia mielogénica crónica Scitable Nature Education translocación

26 Cáncer : progresión tumoral cinética de la proliferación y tamaño de un tumor maligno de mama (duplica en tamaño cada 100 días aprox.) - el crecimiento y progresión del tumor es lento y pasa por muchas etapas antes de que sea detectable y maligno

27 Cáncer : progresión tumoral tumor invasivo - ejemplo: etapas de la progresión del cáncer de cuello del útero

28 Cáncer : progresión tumoral células normales células precancerosas células cancerosas - ejemplo: detección de células tumorales por el exámen de Papanicolaou

29 Cáncer : metástasis - metástasis: en las neoplasias malignas, células tumorales invasivas rompen los límites del tejido (lámina basal), invaden tejidos vecinos y pueden llegar a la corriente sanguínea o vasos linfáticos. De alli pueden llegar y colonizar tejidos lejanos

30 Cáncer : metástasis - metástasis pueden ser detectadas por la visualización de incorporación de glucosa marcada radioactivamente (fluorodeoxiglucosa) - células cancerosas tienen alto nivel metabólico y muy alta utilización de glucosa - técnica: PET-scan tumores

31 Cáncer : genética - la progresión tumoral desde un tumor inicial (y muchas veces benigno) hasta un tumor maligno con metástasis depende de muchas mutaciones que ocurren al azar - células con mutaciones son seleccionadas durante la evolución tumoral de manera idéntica a la selección natural Nowell (1976) Science

32 Cáncer : genética - la progresión tumoral desde un tumor inicial (y muchas veces benigno) hasta un tumor maligno con metástasis depende de muchas mutaciones que ocurren al azar acumulación de mutaciones que genera un clon tumoral invasivo

33 Cáncer : mutaciones - células tumorales son en general geneticamente inestables tinción de cromosomas de una célula de tumor de mama con marcadores tiñen cada cromosoma de manera específica. Se observan múltiples translocaciones

34 Cáncer : mutaciones - células normales controlan su proliferación de varias maneras: - en general la diferenciación inhibe la división celular - la senescencia replicativa restringe el número de veces que una célula se divide (p.ej. 25 a 50 rondas de división en fibroblastos humanos). Ese fenómeno está asociado al acortamiento de los telómeros - daños al DNA y los cromosomas generan señales que inhiben la división celular (actuan en los checkpoints de la mitosis) - excesivo stress celular (p. ej. daño al DNA) lleva a apoptosis (muerte celular programada) mutaciones en células tumorales evaden los controles a la proliferación

35 Cáncer : mutaciones mutaciones en células tumorales evaden los controles a la proliferación

36 Cáncer : mutaciones - células tumorales pueden resultar inmortales en cultivo (HeLa, HepG2, Jurkat, Caco-2 etc) - células HeLa fueron derivadas de un tumor de cuello de útero en 1951; fue la primera linea celular establecida exitosamente en cultivo y ha sido extensamente usada en investigación. Henrietta Lacks ( ) células HeLa teñidas con Hoechst TenOfAllTrades, Wikimedia Commons

37 Cáncer : mutaciones - acumulación de mutaciones en el linaje celular: algunas mutaciones son importantes para la progresión tumoral, otras no - passenger mutations son mutaciones neutrales "arrastradas" que surgen en un linaje celular particular; driver mutations son las mutaciones somáticas que le confieren ventajas proliferativas al tumor; agentes selectivos (p. ej. uso de quimioterapia) pueden selecionar mutaciones que confieran resistencia

38 Cáncer : mutaciones - acumulación de mutaciones en el linaje celular: diferentes cánceres/tumores acumulan un diferente número de mutaciones (4 órdenes de magnitud) número de mutaciones somáticas nosilenciosas por Mb de exones tumores pediátricos (menos mutaciones) tumores tardios (más mutaciones) Wheeler and Wang (2013) Genome Res

39 Cáncer : mutaciones - genes involucrados en el desarrollo del cáncer están relacionados con las vias de señalización que controlan la diferenciación, crecimiento y división celulares y apoptosis vias de señalización relacionadas al desarrollo del cáncer

40 Cáncer : mutaciones - hay basicamente dos tipos de genes que afectan el desarrollo del cáncer: - oncogenes son genes que promueven la generación de cáncer por mutaciones de ganancia de función (o sea, la actividad del gen tiene que estar aumentada). Los genes celulares que cuando alterados dan origen a oncogenes son llamados proto-oncogenes - supresores de tumores son genes que promueven la generación de cáncer por mutaciones que los inactivan (o sea, la actividad del gen tiene que estar disminuída). Muchos son genes que frenan el ciclo celular o que promueven la apoptosis

41 Cáncer : mutaciones oncogenes y genes supresores de tumores

42 Cáncer : oncogenes - el primer oncogen descripto es derivado del virus del sarcoma de Rous (RSV), descubierto por Francis Peyton Rous en el RSV es un retrovirus (genoma de RNA) que causa tumores en fibroblastos de aves fibroblastos embrionarios de gallina en cultivo transformados por RSV Weiss and Vogt (2011) J Exp Med

43 Cáncer : oncogenes - en 1975 se descubrió que el gen del RSV que causa tumores en las aves es una versión modificada de un gen celular - Src, una tirosina kinasa de vertebrados v-src: gen mutado (oncogen) incorporado al genoma del RSV c-src: gen normal (proto-oncogen)

44 Cáncer : oncogenes - en 1982 se descubrió el primer oncogen humano - Ras transfección con el gen Ras es capaz de causar la transformación de fibroblastos sensibles - transformación maligna: conversión de células normales en células con propriedades de células cancerosas (crecimiento exagerado, sin inhibición de contacto)

45 Cáncer : oncogenes - en 1982 se descubrió el primer oncogen humano - Ras - el oncogen difería del proto-oncogen en una sustitución G T que causa un cambio de glicina a valina en la posición 12 de la proteina Ras - Ras es una pequeña GTPasa señalizadora que controla varios aspectos del comportamiento celular ríoabajo de receptores de proteina quinasa. P. ej. Ras activa la quinasa Raf, que activa la via de MAP kinasas, que induce la proliferación celular - hay tres genes Ras (K-Ras, H-Ras, N-Ras). Mutaciones en K-Ras ocurren en 20-30% de los tumores humanos

46 Cáncer : oncogenes - oncogenes pueden ser activados de muchas maneras:

47 Cáncer : oncogenes - ejemplo: amplificación del oncogen Myc en carcinomas hibridación in situ fluorescente con sonda Myc por errores de replicación, múltiples copias de Myc son liberadas como minicromosomas y incorporadas a otro cromosoma

48 Cáncer : oncogenes Nossal (2003) Nature - ejemplo: activación del proto-oncogen Myc por una translocación en linfoma de Burkitt una translocación recíproca entre los cromosomas 8 y 14 pone a c-myc cerca de enhancers de genes de cadena pesada de inmunoglobulinas

49 Cáncer : oncogenes Huang et al (2010) Bone Marrow Transpl - ejemplo: activación del proto-oncogen Myc por una translocación en linfoma de Burkitt cariotipo de linfoma de Burkitt mostrando la translocación

50 Cáncer : oncogenes - oncogenes desregulados cooperan en la inducción del cáncer en general, un oncogen no es suficiente para la aparición de tumores (tiene que haber más mutaciones) incidencia de tumores en ratones modificados geneticamente que sobreexpresan Myc, Ras, o ambos genes en glándulas mamarias

51 Cáncer : genes supresores de tumores - el primer gen supresor de tumores clonado fue Rb - la falta de Rb causa retinoblastoma, un cáncer de la retina raro que generalmente afecta a niños menores a 5 años (1:20.000) - Rb fue descubierto por clonado posicional a partir del conocimiento de una microdeleción en una región del cromosoma 13 (13q14.11) en algunos pacientes - hay dos tipos de retinoblastomas: - hereditario: un alelo inactivo es heredado de un progenitor. Varios tumores afectan los dos ojos; aumento en la chance de desarrollar tumores en otras partes del cuerpo a más edad - esporádico: un tumor surge en un ojo solamente

52 Cáncer : genes supresores de tumores retinoblastoma hereditario x no-hereditario

53 Cáncer : genes supresores de tumores el alelo sano de Rb puede ser eliminado de diversas maneras (mutación puntual, deleción, translocación etc)

54 Cáncer : genes supresores de tumores - Rb regula negativamente la entrada en fase S (replicación de DNA) del ciclo celular - Rb se une y inhibe el factor de transcripción E2F, que induce genes de la fase S - Rb es negativamente regulado por el complejo de ciclina D y Cdk4, que es regulada negativamente por p16 (también un gen supresor de tumores)

55 Cáncer : genes supresores de tumores - Rb regula negativamente la entrada en fase S (replicación de DNA) del ciclo celular - ciclina D se acumula en la fase G1 y induce la fase S. Ausencia de p16 o Rb lleva a la activación constante de genes de fase S y proliferación

56 Cáncer : genes supresores de tumores - p53 es un supresor de tumores que actua como sensor de stress celular. Mutaciones en TP53 ocurren en 30-50% de los cánceres humanos - es un factor de transcripción de zinc-finger que induce el arresto del ciclo celular y apoptosis - normalmente la proteina es inestable y se expresa a bajos niveles, pero es activada por exceso de señales proliferativas, daño al DNA, acortamiento de telómeros y hipoxia

57 Cáncer : genes supresores de tumores - p53 es un supresor de tumores que actua como sensor de stress celular - p53 se une al DNA y induce directamente la transcripción de p21, un inhibidor de kinasas dependentes de ciclinas (Cdk), lo que arresta el ciclo celular en G1 - p53 también activa la expresión de genes pro-apoptóticos

58 Cáncer : genes supresores de tumores - genes supresores de tumores pueden ser silenciados por modificaciones epigenéticas, además de mutaciones genéticas directas

59 Cáncer : genes supresores de tumores - genes supresores de tumores pueden ser silenciados por modificaciones epigenéticas, además de mutaciones genéticas directas cambios epigenéticos (como metilación de DNA) también son heredables

60 Cáncer : genes supresores de tumores - entre los genes que influencian el cáncer están los que codifican modeladores de cromatina, reparo de DNA y recombinación. La inactivación de esos genes aumenta el número de mutaciones y desestabiliza el genoma (induce aberraciones cromosómicas), lo aumenta la chance de progresión de un tumor - ejemplos: metiltransferasa de DNA 3 (DNMT3A): mutada en 22% de los pacientes con leucemia mieloide aguda (AML) miembros de complejo SWI/SNF de modeladores de nucleosomas están mutados en >50% de los pacientes con varios cánceres (riñones, ovario, hígado, estomago etc)

61 Cáncer : genes BRCA - en la década de 1990 se descubrieron los genes de susceptibilidad de cáncer de mama BRCA1 y BRCA2 - herencia de un alelo mutado de alguno de esos genes causa el síndrome de cáncer hereditario de mama y ovario (HBOC), que causa 5-7% de todos los cánceres de mama - mujeres con un alelo mutado tienen 50-80% de chance de desarrollar cáncer de mama y 30-50% de desarrollar cáncer de ovario; hombres con BRCA2 mutado tienen 20% de chance de desarrollar cáncer de próstata - ambos genes (que no están relacionados estructuralmente) codifican proteinas con múltiples dominios que actuan en la recombinación homóloga y reparación de daño al DNA (roturas de la doble cadena) durante la replicación - durante la tumorigénesis en pacientes con HBOC ocurre la pérdida del alelo sano en la mayoría de los casos

62 Cáncer : genes BRCA - en la década de 1990 se descubrieron los genes de susceptibilidad de cáncer de mama BRCA1 y BRCA2 - mujeres con historia familiar de cáncer de mama pueden hacer un test genético para determinar si tienen alelos alterados de BRCA1 o BRCA2

63 Cáncer : firma genética - cada tipo de cáncer tiene un grupo característico de genes (proto-oncogenes y supresores de tumores) mutados con más frecuencia - mutaciones en los tumores pueden ser evaluadas por técnicas genómicas como el análisis de expresión de cdnas, secuenciación del exoma (conjunto de exones) o secuenciación genómica hibridación genómica comparativa para encontrar genes amplificados y delecionados en un tumor (rojo - amplificado; verde - delecionado)

64 Cáncer : firma genética - cada tipo de cáncer tiene un grupo característico de genes (proto-oncogenes y supresores de tumores) mutados con más frecuencia - ejemplo: carcinoma colorectal

65 - ejemplo: exoma del carcinoma colorectal 193 pacientes con baja tasa de mutación 36 pacientes con alta tasa de mutación genes con mutaciones inactivantes (supr. tum.) genes con mutaciones activadoras (oncogenes) Wheeler and Wang (2013) Genome Res

66 Cáncer : virus de DNA

67 Cáncer : virus de DNA - algunos virus de DNA alteran el ciclo celular y contribuyen a la tumorigénesis - los papilomavirus causan verrugas en la piel y pueden causar cáncer cervical en el cuello del útero (HPV-16 y HPV-18)

68 Cáncer : virus de DNA - la proteina viral E7 secuestra Rb, lo que activa la fase S - la proteina viral E6 se une a p53 y lo lleva a degradación, lo que activa la proliferación y inhibe la apoptosis