E d i t o r i a l. Genomic instability and colorectal cancer

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1 /2005/97/10/ REVISTA ESPAÑOLA DE ENFERMEDADES DIGESTIVAS Copyright 2005 ARÁN EDICIONES, S. L. REV ESP ENFERM DIG (Madrid) Vol. 97, N. 10, pp , 2005 E d i t o r i a l Genomic instability and colorectal cancer Colorectal cancer (CRC) includes two primary types of genomic instability: microsatellite instability (MSI) and chromosome instability (CIN). MSI results in a high rate of point mutation, whereas CIN refers to an increased rate of cumulative chromosome disorders (1). Microsatellites are short, tandem-repeat DNA regions that may be found within genes or else, they may constitute non-coding genome regions. MSI occurs in 15% of CRCs and results from inactivation of the mismatch repair (MMR) system, either from mutation in said genes or from MLH1 gene promoter hypermethylation (MLH1 is a gene within this system) (2). The primary function of the mismatch repair system following replication is to remove base-base mispairs and insertion/deletion loops brought about by DNA-polymerase slips during DNA synthesis (3). Presumably, a defective repair of mispairs encourages malignant transformation by allowing rapidly cumulative mutations to inactivate genes that usually play key roles within cells. Mispair repair defective genes seemingly promote mutations in other genes as well, as they may not produce nucleotide-mispair correcting proteins during DNA replication. However, genes including microsatellites in their own coding sequence are also involved (4). A hereditary form of colorectal cancer, hereditary non-polypoid colorectal cancer (HNPCC) or Lynch syndrome, represents 3 to 5% of all CRCs, and is the most common condition within hereditary CRC syndrome. In this syndrome the source of microsatellite instability includes mutations in MMR genes (5). Predisposition to cancer, seen not only in HNPCC but also in other cancerigenic syndromes resulting from germinal mutations in genes regulating DNA fidelity [e.g. Li-Fraumeni syndrome (TP53, CHK2), Nijmegen syndrome (NBS1), Bloom syndrome (BLM), and ataxia telangiectasia (ATR/ATM)], demonstrates that inactivation mechanisms regulating genome stability play a primary role in carcinogenesis (2). MMR system-deficient cells exhibit a mutating phenotype with highly increased spontaneous mutation rates, which may be 100 to 1000 times greater when compared to normal cells (3,6). Virtually all CRCs exhibit either MSI or CIN, which suggests that genomic instability is not only common but also crucial in the genesis of CRC. CIN is the most common type of genomic instability in CRC, and occurs in around 85% of colonic tumors. However, despite the high frequency of CIN in CRC, and the fact that aneuploidy has been long considered a hallmark of cancer, our understanding of this chromosomal disturbance state is still rudimentary (2). Aneuploidy is characterized by changes in the structure and number of chromosomes (7). Among mechanisms that may mediate CIN, genes involved in the detection of interactions between the spindle and kinetochore during mitosis are best candidates to playing a role in chromosomal instability in human cancers (2). The list of eligible genes able to cause CIN exceeds 100, and includes genes used in kinetochore structure and function; in centrosome and

2 684 D. CRUZ-BUSTILLO CLARENS REV ESP ENFERM DIG (Madrid) microtubules formation and behaviour; in chromosome condensation; in sister chromatides cohesion; and in cell cycle checkpoint regulation (8). In addition to the inactivation of proteins regulating mitotic spindle checkpoints, the inactivation of proteins regulating DNA damage checkpoints, chromosome metabolism, and centrosome functions have been seen to influence chromosome instability in vitro (2). CIN increases the rate at which gross chromosomal changes occur during cell division (9). According to Greenwood (10), cell division is a dangerous issue, since each kinetochore must bind the mitotic spindle so that both chromatides correctly separate towards the opposing cell poles. The integrity of this process is carefully monitored by the spindle assembly checkpoint, and it has been suggested that a defective checkpoint may lead to aneuploidy, as is commonly the case in human cancer. The article by Cabrera et al. (11) included in this issue of the Journal refers to a scarcely known function of the adenomatous polyposis coli (APC) tumor suppressing gene: its role in genomic instability. This is a gene with multiple functions, including: a) beta-catenin signalling regulation; b) cell adhesion regulation via beta-catenin and E-cadherin; c) cell migration regulation through interaction with microtubules; d) cell cycle blockade maybe through direct cell component inhibition; and e) coordinated cell adhesion and motility regulation (12). However, the first function mentioned is the most acknowledged and common. When the APC gene has mutations resulting in the protein s inability to regulate beta-catenin signals, discontrolled cell division ensues within colonic crypts, which triggers a number of steps that ultimately converge in the development of an adenoma, and then of a malignancy. The paper by Cabrera et al. discusses not only the role of APC gene in various cell processes, including proliferation, differentiation, apoptosis, adhesion, migration, and chromosome segregation, but also provides insight into the mutational analysis of this gene, as well as the implications of mutations in the development of the adenoma-carcinoma sequence. Regarding its role in chromosome instability, the authors state that APC mutant cells have many microtubules unable to bind the kinetochore, and are therefore responsible for the chromosome instability phenotype seen in these cells. Similarly, following a discussion of results from experiments using transgenic mice able to reproduce CIN, they prove how the selective benefit of colonic tumor cells manifests itself when they lose beta-catenin-dependent function, and hence the resulting chromosome instability is a consequence of this loss, not the tumor-triggering process. Furthermore, these authors report that a number of human colon cancer cell lines that are well characterized with APC mutations have no chromosome instability following thousands of cell divisions in vitro, and they conclude that APC inactivation alone is unlikely to result in a CIN phenotype in human colorectal cancer, whereas other genes are likely involved in such process. D. Cruz-Bustillo Clarens National Institute of Gastroenterology. Havana, Cuba REFERENCES 1. Michor F, Iwasa Y, Lengauer C, Nowak MA. Dynamics of colorectal cancer. Seminars in Cancer Biology 2005 (in press). 2. Grady WM. Genomic instability and colon cancer. Cancer and Metastasis Reviews 2004; 23: Peltomaki P. DNA mismatch repair and cancer. Mut Res 2001; 488:

3 Vol. 97, N. 10, 2005 GENOMIC INSTABILITY AND COLORECTAL CANCER De la Chapelle A. Microsatellite instability. N England J Med 2003; 349: Gra Menéndez S, Cruz-Bustillo Clarens D. Algunos aspectos genéticos, moleculares y clínicos del cáncer colorrectal hereditario no polipoideo. Rev Cubana Invest Biomed 2004; 22: Schofield MJ, Hsieh P. DNA mismatch repair: Molecular mechanisms and biological function. Annu Rev Microbiol 2003; 57: Rajagopalan H, Nowak MA, Vogelstein B, Lengauer C. The significance of unstable chromosomes in colorectal cancer. Nat Rev Cancer 2003; 3: Jallepalli PV, Lengauer C. Chromosome segregation and cancer: Cutting through the mystery. Nat Rev Cancer 2001; 1: Komarova NL, Lengauer C, Vogelstein B, Nowak MA. Dynamics of genetic instability in sporadic and familial colorectal cancer. Cancer Biol Therapy 2003; 6: Greenwood E. Genomic instability: Dangerous division. Nat Rev 2003; 3: Cabrera CM, López-Nevot MA. APC e inestabilidad cromosómica en el cáncer de colon. Rev Esp Enferm Dig 2005; 97 (10): Cruz-Bustillo Clarens D. Genética molecular del cáncer colorrectal. Rev Esp Enferm Dig 2004; 96: Inestabilidad genómica y cáncer colorrectal Existen dos tipos fundamentales de inestabilidad genómica en el cáncer colorrectal (CCR): la inestabilidad en microsatélites (MSI) y la inestabilidad cromosómica (CIN). La MSI conduce a una alta velocidad de mutaciones puntuales, mientras que la CIN se refiere a un aumento en la velocidad de acumulación de desórdenes cromosómicos (1). Los microsatélites son regiones muy cortas de ADN que se repiten en tándem y que pueden estar dentro de genes, o bien, constituyen regiones del genoma que no codifican. La MSI ocurre en 15% de los CCR y es el resultado de la inactivación del sistema de reparación de apareamientos erróneos (MMR), ya sea por mutaciones en dichos genes o bien por la hipermetilación del promotor del gen MLH1, uno de los genes de este sistema (2). La función principal del sistema de reparación de apareamientos erróneos después de la replicación es eliminar apareamientos base-base y lazos de inserción/deleción que surgen como consecuencia del desliz de la ADN polimerasa durante la síntesis del ADN (3). Presuntamente, la reparación defectuosa de los apareamientos facilita la transformación maligna al permitir una acumulación rápida de mutaciones que inactivan genes que normalmente cumplen funciones clave en la célula. Parece ser que los genes defectuosos de reparación de apareamientos, al no poder producir las proteínas encargadas de corregir los apareamientos de nucleótidos durante la replicación del ADN, promueven también mutaciones en otros genes. Pero los genes que tienen microsatélites en su propia secuencia codificadora están también involucrados (4). Existe una forma hereditaria de cáncer colorrectal, el cáncer colorrectal hereditario no polipoideo (HNPCC) o síndrome de Lynch, que representa de 3 a 5% de todos los CCR, siendo la entidad más frecuente dentro del síndrome de CCR hereditario. En este síndrome, el origen de la inestabilidad en microsatélites se debe a mutaciones en los genes MMR (5). La predisposición al cáncer, observada no sólo en HNPCC sino también en otros síndromes cancerígenos provocados por mutaciones germinales en genes que regulan la fidelidad del ADN [p. ej. síndrome de Li- Fraumeni (TP53, CHK2), síndrome de Nijmegen (NBS1), síndrome de Bloom (BLM) y ataxia telangiectasia (ATR/ATM)], demuestra que los mecanismos de inactivación que regulan la estabilidad genómica constituyen un evento primario en la carcinogénesis (2). Las células deficientes en el sistema MMR muestran un feno-

4 686 D. CRUZ-BUSTILLO CLARENS REV ESP ENFERM DIG (Madrid) tipo mutador en el cual se eleva grandemente la velocidad de mutación espontánea que puede ser entre 100 a 1000 veces mayor que en células normales (3,6). Prácticamente todos los CCR exhiben ya sea MSI o CIN lo que sugiere que la inestabilidad genómica no es sólo común, sino también fundamental en la génesis del CCR. La CIN es el tipo más común de inestabilidad genómica en el CCR y ocurre en aproximadamente el 85% de los tumores de colon. Sin embargo, a pesar de la alta frecuencia de CIN en CCR, y al hecho de que la aneuplodía se considere desde hace mucho tiempo como un sello del cáncer, nuestra comprensión de este estado de desarreglo cromosómico es aún rudimentario (2). La aneuplodía se caracteriza por cambios en la estructura y en el número de cromosomas (7). Entre los mecanismos que pudieran mediar la CIN, los genes involucrados en detectar las interacciones entre el huso y el cinetocoro durante la mitosis son los mejores candidatos a tener un rol en la inestabilidad cromosómica en los cánceres humanos (2). La lista de genes candidatos que pueden causar CIN sobrepasa los 100 e incluye genes que se emplean en la estructura y función del cinetocoro; en la formación y en el comportamiento del centrosoma y de los microtúbulos; en la condensación de los cromosomas; en la cohesión de las cromátidas hermanas; y en la regulación de los puntos de control del ciclo celular (8). Además de la inactivación de las proteínas que regulan los puntos de control del huso mitótico, se ha demostrado in vitro que la inactivación de las proteínas que regulan los puntos de control del daño al ADN, el metabolismo del cromosoma y la función del centrosoma influyen en la estabilidad cromosómica (2). La CIN aumenta la velocidad a la cual ocurren los cambios cromosómicos groseros durante la división celular (9). Según Greenwood (10), la división celular es una cuestión peligrosa ya que cada cinetocoro debe unirse al huso mitótico para que las dos cromátidas segreguen correctamente hacia los polos opuestos de la célula. La integridad de este proceso está cuidadosamente monitoreada por el punto de control del ensamblaje del huso y se ha sugerido que un punto de control defectuoso pudiera conducir a la aneuplodía, tal y como se encuentra frecuentemente en el cáncer humano. El artículo de Cabrera y cols. (11) que se publica en este mismo número de la revista se refiere a una función poco conocida del gen supresor de tumores adenomatous polyposis coli (APC): su participación en la inestabilidad genómica. Se trata de un gen con múltiples funciones que incluyen: a) regulación de la señalización inducida por la beta-catenina; b) regulación de la adhesión celular a través de la beta-catenina y la E-cadherina; c) regulación de la migración celular por mediación de la interacción con los microtúbulos; d) bloqueo del ciclo celular tal vez mediante inhibición directa de los componentes del ciclo; y e) regulación coordinada de la adhesión y motilidad celular (12). Sin embargo, su función más conocida y común es la primera. Cuando el gen APC sufre mutaciones que ocasionan que la proteína no pueda regular la señalización inducida por la beta-catenina, se desencadena un descontrol de la división celular a nivel de la cripta del colon, desencadenándose una serie de pasos que irán a parar al desarrollo, primero de un adenoma y luego de un tumor maligno. El artículo de Cabrera y cols. analiza, no solamente la participación del gen APC en procesos celulares diversos que incluyen proliferación, diferenciación, apoptosis, adhesión, migración, y segregación cromosómica, sino que también profundiza en el análisis mutacional de dicho gen así como en la implicación de dichas mutaciones en el desarrollo de la secuencia adenoma-carcinoma. En cuanto a su papel en la inestabilidad cromosómica, plantean los autores que las células mutantes para APC tienen una gran abundancia de microtúbulos que son incapaces de unirse al cinetocoro y por lo tanto son responsables del fenotipo de inestabilidad

5 Vol. 97, N. 10, 2005 INESTABILIDAD GENÓMICA Y CÁNCER COLORRECTAL 687 cromosómica observado en estas células. Asimismo, tras adentrarse en resultados de experimentos con ratones transgénicos capaces de reproducir la CIN, demuestran cómo se pone de manifiesto la ventaja selectiva que presentan las células tumorales de colon cuando pierden la función dependiente de beta-catenina, y que por tanto la inestabilidad cromosómica resultante es una consecuencia de esta pérdida y no el proceso desencadenante del tumor. Por otra parte, estos autores refieren que algunas líneas celulares humanas de cáncer de colon bien caracterizadas con mutaciones en APC no presentan inestabilidad cromosómica después de miles de divisiones celulares in vitro y concluyen que es poco probable que únicamente la inactivación de APC conduzca por sí misma a un fenotipo CIN en el cáncer colorrectal humano y que es probable que otros genes estén implicados en dicho proceso. D. Cruz-Bustillo Clarens Instituto Nacional de Gastroenterología. La Habana, Cuba