`GENES Y CÁNCER I. PROTO-ONCOGENES Y ONCOGENES
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Proto-oncogenes_y_oncogenes 'GENES Y CÁNCER I. PROTO-ONCOGENES Y ONCOGENES: DESCUBRIMIENTO DE ONCOGENES VÍRICOS Y HUMANOS El cáncer es un grupo de enfermedades causadas por alteraciones (de la secuencia nucleotídica o mutaciones, o de tipo epigenético) en genes específicos, que son consecuencia de errores endógenos de la maquinaria celular (replicación del DNA) o de la acción de factores exógenos (químicos, físicos, biológicos). Los agentes (carcinogénicos) inductores de cáncer son mutágenos, es decir, alteran el DNA celular. Las células normales se convierten en cancerosas como resultado de dos procesos consecutivos: una proliferación descontrolada y/o supervivencia alterada, y la adquisición de capacidad invasiva y metastásica. Ello es debido a la acumulación progresiva de mutaciones, cambios geneticos, y/o cambios epigenéticos en oncogenes, genes supresores y de reparación del DNA; y a la interacción de los genes de predisposición con factores externos. Existen genes cuya mutación aumenta proliferación o angiogénesis, o inhibe muerte celular o la parada del ciclo celular: los oncogenes y genes supresores de tumores. Otros genes del cáncer son aquellos cuya mutación causa acumulación de daño (mutaciones) en el DNA: los genes de estabilidad de reparación del DNA. Un cuarto grupo son los genes de predisposición, susceptibilidad o modificadores, que influyen con un efecto que puede considerarse menor en la aparición de cánceres, muchas veces modulando la acción de mutágenos. Numerosos genes implicados en cáncer no sufren mutaciones, sino que sus niveles de expresión aumentan o disminuyen asociados a cambios en la velocidad de transcripción o epigenéticos. Estos cambios de los niveles de expresión no aseguran sin embargo un papel causal en el proceso, si no que pueden ser secundarios a otras alteraciones. ¿Cuántas mutaciones son necesarias para causar cáncer?: Se ha propuesto que 1 ó 2 mutaciones pueden ser suficientes para iniciar el proceso en tumores líquidos, debido fundamentalmente a que los precursores ya son móviles. En estos casos predominan las translocaciones cromosómicas. En el caso de tumores sólidos se requieren 3 ó más mutaciones, generalmente incluyendo la inactivación de genes supresores. Todas estas alteraciones en las células cancerosas afectan a un reducido número de rutas: p53/MDM2/ARF, Rb/p16/CiclinaD1/CDK4, APC (Wnt/b-catenina), GLI o Hedgehog, HIF-1 (factor de hipoxia), PI3K/Akt/PTEN, SMADs (TGF-b), receptores tirosina-quinasa (RTKs) y Notch. En los últimos años ha quedado patente la importancia de los procesos epigenéticos en el cáncer. Existen varios modelos para explicar la progresión tumoral: • Mutación-Selección: es el modelo clásico, que propone que el cáncer comienza en una célula que sufre una mutación adquiriendo una ventaja biológica y se expande clonalmente. Sucesivos ciclos de mutación-selección-expansión son los responsables de la progresión, con acumulación de células con ventaja selectiva en proliferación y diseminación. • Adquisición de fenotipo mutador: La alteración de los genes de reparación de los errores de incorporación de nucleótidos (mismatch) durante la replicación del DNA genera inestabilidad genética, con acumulación masiva de mutaciones: en el fenotipo mutador, llamado también MIN (microsatellite instability) o RER (replication error). • Alteración de la estabilidad cromosómica (CIN o chromosomal instability) aparición de aneuploidías por fallos en la segregación de los cromosomas durante la mitosis o grandes aberraciones (translocaciones?) cromosómicas. Si el nivel de aneuploidias es muy elevados la celula es conducida hacia la apoptosis, por lo que se tiene que dar la obtención de un nivel de inestabilidad compatible con la actividad celular (Just Right Instability). • Cancer stem cells. Recientemente se ha propuesto que la generación y mantenimiento de los tumores se debe a la existencia de un pequeño número de células con capacidad multi- o pluri-potencial denominadas 1 Proto-oncogenes_y_oncogenes Cancer stem cells (CSC). La existencia de oncogenes, definidos como genes que favorecen el desarrollo de un cáncer, está inferida de al menos cuatro ideas generales: 1. Cierto porcentaje de algunos cánceres aparecen repetidamente en familias (cánceres hereditarios). 2. Estudios de citogenética, que revelaron alteraciones cromosómicas en numerosas células cancerosas. 3. Ciertos agentes externos afectan al contenido genético; hay una relación entre daño en el DNA y carcinogenicidad. 4. El análisis de virus que inducen tumores en animales. Los oncogenes son versiones mutadas o desreguladas de genes normales (proto-oncogenes). Tienen diferentes tipos de acciones: favorecen la proliferación, inhiben la apoptosis, potencian la angiogénesis, favorecen la invasividad o la capacidad metastásica. Los mecanismos de activación de estas acciones son mutaciones puntuales, deleciones, sobre-expresión, fusión cromosómica o expresión inadecuada en el tiempo o en las células. Los experimentos que demostraron por primera vez que el cáncer podía transmitirse por un virus (llamado más tarde virus del sarcoma de Rous o RSV) fueron realizados por Peyton Rous en 1909. Un extracto proteico subcelular de un pollo con sarcoma se inyectó a un pollo sano, que desarrolló sarcoma. Concluyeron que debía haber un virus capaz de inducir la tumoración. Más tarde se supo que se trataba de un retrovirus. Los retrovirus contienen dos moléculas de idénticas de RNA que son retrotranscritas a DNA al infectar una celula por la enzima transcriptasa inversa codificada por el propio virus. Este DNA vírico (provirus o DNA proviral) se integra dentro del genoma de la celula huésped. Los extremos del DNA del retrovirus contienen unas secuncias reguladoras denominadas LTRs (Long terminal repeats) que favoren la integración al genoma de la celula y el reclutamiento de factores de transcripción para la expresión de los genes viricos (son unos promotores y enhancers muy potentes). Los retrovirus pueden ser de dos tipos: 1. Retrovirus transformantes débiles: inducen la aparición de tumores transcurrido bastante tiempo tras la infección, no contienen ningún gen aparte de los propios (gag, pol, env). Un ejemplo es el virus de la leucosis aviar o ALV. 2. Retrovirus transformantes agudos: contienen genes (oncogenes) adquiridos (transducidos) del genoma de la célula que infectan (hospedadora) y presentan un incremento progresivo de oncogenicidad por la acumulación de mutaciones en los oncogenes transducidos. Por ejemplo, el virus del sarcoma de Rous o RSV. Los retrovirus que no llevan oncogenes producen tumores a largo plazo porque a veces se integran en el genoma celular cerca de un proto-oncogén. En el caso del ALV, del proro-oncogén c-myc, provocando su sobre-expresión como resultado de la potencia de LTR. Los retrovirus con oncogenes generan tumores por distintos mecanismos, como la sobreexpresión o desregulación del proto-oncogén, la formación de proteínas híbridas de función alterada o por mutaciones en el proto-oncogén. Hay retrovirus que sólo contienen un oncogén y pierden los genes propios. En otros, el gen transducido se fusiona a un gen retroviral, por ejemplo, el gen abl, que se fusiona a parte del gen viral gag, se transcribe y luego traduce a una proteína de fusión Gag/Abl. Algunos retrovirus tienen dos oncogenes, por ejemplo, el virus de la eritroblastosis aviar (erbA y erbB), que cooperan en la transformación celular. 2 Proto-oncogenes_y_oncogenes El experimento clave que demostró la existencia en el genoma celular de genes que pueden causar cáncer lo realizaron en 1976 Stehelin, Varmus, Bishop y Vogt, que valió en 1989 el premio Nobel de Medicina y Fisiología a Varmus y Bishop. Purificaron RNA de RSV tumorogénicos y de mutantes en transformación. El RNA de los virus tumorogénicos fue convertido en DNA complementario mediante la enzima transcriptasa inversa en presencia de un nucleótido radiactivo. Hibridaron esta población de DNA con el RNA de virus no transformantes y mediante cromatografía en columnas de hidroxiapatito purificaron las cadenas de DNA no hibridado. Posteriormente demostraron que éste hibridaba con DNA extraído de células normales de pollo, lo que demostró el origen celular del oncogén retroviral (src, de sarcoma): en el genoma de las células están los genes que originan cáncer. El proto-oncogén src codifica una proteína tirosina-quinasa, es decir, con capacidad de introducir grupos fosfato en residuos de tirosina de otras proteínas. Está anclada por un ácido mirístico a la parte interna de la membrana celular, plegada sobre sí misma, y tiene varios dominios funcionales: el dominio tirosina-quinasa, el carboxiterminal de auto-inhibición, un dominio SH2 (secuencia de aminoácidos con alta afinidad para asociarse a residuos de tirosina fosforilados) y un dominio SH3 rico en aminoácidos prolina por los cuales interacciona con otras proteínas con idénticos dominios. El oncogén viral v-src codifica una forma truncada de la proteína Src que es constitutivamente activa al faltarle el extremo carboxiterminal. En tumores humanos, la alteración de los oncogenes tiene lugar frecuentemente por sobre-expresión o por síntesis de proteínas híbridas como resultado, generalmente, de translocaciones cromosómicas. Además, éstas pueden dar lugar a la elevada expresión de una proteína normal porque un gen queda bajo el control de un promotor muy fuerte de otro. Los virus causan sólo un reducido porcentaje de cánceres humanos: virus de Epstein-Barr (linfomas de Burkitt, Hodgkin y no-Hodgkin y carcinomas nasofaríngeos); virus del papiloma humano (cáncer cervical); herpesvirus humano tipo 8 (sarcoma de Kaposi y algunos linfomas no-Hodgkin); virus de la leucemia T humana (linfomas poco comunes en adultos); virus de la inmunodeficiencia humana (sarcoma de Kaposi, linfoma no-Hodgkin y Hodgkin, carcinomas epitelioides conjuntiva, leiomiosarcomas); virus de la hepatitis B y C (carcinoma hepatocelular). Otros posibles son SV40, MCV, BKV y JCV. ¿Cómo se identifican proto-oncogenes activados en tumores humanos? En el año 1982 tres grupos (Weinberg, Barbacid y Cooper) transfectaron DNA de células de carcinoma de vejiga humano en células NIH 3T3 (fibroblastos de ratón). Purificaron el DNA de los focos de crecimiento generados y consiguieron aislar y secuenciar el gen humano responsable de su aparición: H-RAS (por adquisición de una única mutación puntual). Este método ha servido para identificar numerosos oncogenes en tumores humanos. Hay oncogenes que codifican factores de crecimiento, receptores tirosina-quinasa y no tirosina-quinasa, adaptadores, proteínas G transductoras de señal, efectores y factores de transcripción. Henry Harris demostró (1969) que la fusión de una célula normal con una célula tumoral origina una célula no tumoral. Ello implica que en el genoma de las células normales hay genes (supresores de tumores) que bloquean el proceso de tumorogenicidad, es decir, que el fenotipo tumoral es recesivo. Durante años se ha tenido una visión reduccionista de lo que era un tumor, considerado una masa homogénea de células tumorales. Hoy se sabe que en ellos hay células tumorales propiamente dichas y también varios tipos de células no tumorales como fibroblastos, células inmunológicas o endoteliales (en conjunto, estromales); es decir, los tumores son heterotípicos. Las complejas interacciones bidireccionales entre las células tumorales propiamente dichas y las células estromales tienen un papel importante en la tumorogénesis. La inflamación crónica puede inducir cáncer. La primera demostración en términos moleculares se describió en 1999 al comprobarse que la acumulación de MIF (macrophage inhibitory factor) en zonas de inflamación crónica anulaba la función del gen supresor tumoral p53. 3 Proto-oncogenes_y_oncogenes Hoy en día se acepta que en numerosos tejidos del organismo adulto existen células stem, en diferentes localizaciones. Las stem cells, o celulas totipotentes o troncales, son capaces de diferenciarse en cualquier tipo celular del tejido donde se encuentran, siendo responsables de la proliferación celular que acompaña a un daño tisular. Estas células presentan homologías con las células cancerosas, ya que tienen un potencial replicativo muy elevado (y por ello mayor probabilidad de acumular mutaciones) y capacidad de auto-renovación, además de estar reguladas por algunas vías de señalización comunes (Wnt, Hedgehog, Notch). Este modelo propone que en los tumores puede haber Cancer Stem Cells (CSC), de forma que el cáncer puede provenir por alteración de alguna de ellas o de sus descendientes, generándose un tumor heterogéneo, en el cual sólo las CSC tendrían la capacidad de proliferar y formar nuevos tumores. La existencia de estas células tiene implicaciones muy importantes a nivel de tratamiento del cáncer, ya que para eliminar el tumor sería suficiente con matar las CSC, con terapias específicas. Hoy es prioritaria la caracterización y estudio de estas supuestas CSC. 4
