BIOL 5117 - Biología Celular y Molecular del Cáncer Carlos A. Acevedo Suárez, Ph. D Oficina: Biología B-227, x2683 Horas de oficina: lunes y miércoles 10:00-10:50 am lunes a jueves 1:00-1:50 pm carlos.acevedo5@upr.edu academic.uprm.edu/~cacevedo/… Tema 1: Cáncer: Historia y aspectos generales Capítulo 1, Pecorino, 2016 Objetivos Describir eventos importantes en la historia de la caracterización del cáncer como enfermedad Conocer algunos aspectos generales de los diversos tipos de cáncer Describir las características fundamentales adquiridas por las células cancerosas De acuerdo al diccionario de la Real Academia Española de la Lengua Cáncer: 1. adj. Dicho de una persona: Nacida bajo el signo zodiacal de Cáncer. Yo soy cáncer, ella es piscis. 2. m. Med. Enfermedad neoplásica con transformación de las células, que proliferan de manera anormal e incontrolada. 3. m. Med. Tumor maligno. 4. m. Proliferación en el seno de un grupo social de situaciones o hechos destructivos. La droga es el cáncer de nuestra sociedad. Algunos términos Cáncer: Es un conjunto de enfermedades que se caracteriza por la desregulación del crecimiento celular y por la invasión y diseminación de células desde un punto de origen a otros lugares del cuerpo. 1 de cada 3 personas tendrá cáncer en su vida ~8 millones de muertes anuales: ~13% del total de muertes en el mundo (en comparación ~2 millones muertes por VIH) gco.iarc.fr/today/fact-sheets-cancers?cancer=29&type=0&sex=0 Tumor: crecimiento anormal de células, neoplasia benigno (no invade tejido adyacente) ≠ cáncer maligno (invade tejido adyacente y puede llevar a cabo metástasis) = cáncer Los tumores malignos se pueden clasificar en varios grupos, entre ellos: carcinomas – derivados de células epiteliales (85% cánceres humanos). sarcomas – derivados de células del mesodermo adenocarcinomas – derivados de tejido glandular blastomas – cánceres del sistema nervioso, incluyendo algunos sumamente malignos de la niñez cánceres de células hematopoyéticas – linfomas y leucemias Tumor benigno vs tumor maligno Causas principales de muerte en el mundo: 2012 What kills more people: infectious diseases or noncommunicable diseases? Noncommunicable diseases were responsible for 68% of all deaths globally in 2012, up from 60% in 2000. The 4 main NCDs are cardiovascular diseases, cancers, diabetes and chronic lung diseases. Communicable, maternal, neonatal and nutrition conditions collectively were responsible for 23% of global deaths, and injuries caused 9% of all deaths. www.who.int/mediacentre/factsheets/ fs310/en/index2.html Un poco de historia… Fósiles de huesos de dinosaurios que vivieron hace 80 millones de años contienen posibles células cancerosas. 3,000 años a. C.: Momias egipcias de esa era presentan evidencia de cáncer en los huesos (osteosarcoma). Un papiro describe casos de tumores cancerosos de mama tratados por cauterización. 400 años a. C.: Hipócrates propone que el cáncer se debe a exceso de bilis negra. Fue el primero en usar los términos “carcinos” y “carcinoma” para describir tumores. Cáncer significa cangrejo en griego, debido a que (según Galeno) los vasos sanguíneos que salían de tumores se esparcían como las palancas del crustáceo. 168 años a. C.: Galeno, médico romano que se suscribía a las teorías de Hipócrates, pensaba que el cáncer era curable en sus etapas tempranas y que los tumores avanzados se podían remover. Creía que la mala dieta y el mal clima estaban directamente relacionados con el cáncer. 1713: Bernardino Ramazzini, médico italiano, notando la ausencia de cáncer cervical y la alta incidencia de cáncer de mama en las monjas, concluye que el estilo de vida de la persona influye en la incidencia de cáncer. Esta observación ayudó a establecer un rol para las hormonas en la enfermedad. 1761: John Hill publica el primer documento que expone los peligros del uso de productos de tabaco. 1775: El cirujano Percival Pott demuestra por primera vez que un factor ambiental (el hollín de las chimeneas) está asociado al riesgo de cáncer en el trabajo. Este y otros estudios permitieron establecer medidas de salud pública para proteger a los trabajadores. 1829: Joseph Recamier reconoce que el cáncer se puede diseminar por el cuerpo y lo llama metástasis. Hoy en día se estima que la metástasis ocasiona el 90% de las muertes por cáncer. 1838: Johannes Muller demuestra que el cáncer está hecho de células. 1872, 1878, 1890: Primeras cirugías radicales para tratar cáncer. 1899: Primer uso exitoso de rayos X (descubiertos en 1895) para tratar cáncer. 1910: Descubrimiento del primer virus oncogénico: el virus del sarcoma de Rous. 1914: Theodor H. Boveri propone la teoría de mutación somática del cáncer. 1915: Se induce cáncer por primera vez en animales de laboratorio (conejos). 1946: Descubrimiento de quimioterapia: mostaza de nitrógeno. 1971: Se propone que la angiogénesis juega un rol en desarrollo del cáncer. Esta idea fue rechazada inicialmente, pero es aceptada actualmente. 1976: Varmus y Bishop descubren src, el primer oncogén (versión celular de gen viral). 1986: Friend y otros descubren gen de retinoblastoma (Rb), un gen supresor de tumores asociado a una forma heredada de cáncer. 1999: Se crean células cancerosas por primera vez en el laboratorio (a partir de células epiteliales y de fibroblastos). 2006: La FDA aprueba Gardasil®, una vacuna contra el virus de papiloma humano, causante principal de cáncer cervical. www.newscientist.com/articleimages/dn17358/0-hidden-cancer-threat-to-wildlife-revealed.html Agrobacterium tumefaciens causa tumores en ciertas plantas. ¿Es cáncer? Estudios preliminares sugieren que plantas con actividad anticáncer tienen una proporción mayor de especies resistentes a tumores causados por A. tumefaciens que plantas seleccionadas al azar. Propiedades características del cáncer * * propiedad habilitadora * Figure 1.1, Pecorino, 4e. ¿Célula normal (N) o célula cancerosa (C)? (en cultivo) Pierde la inhibición por contacto ___ Puede crecer con poco suero en el medio de cultivo ___ Tiende a asumir una morfología redonda ___ Tiende a crecer sin depender de anclaje ___ Dificultades en el tratamiento del cáncer: El índice terapéutico de muchas drogas es bajo Figure 1.6, Pecorino, 4e. El índice terapéutico de una droga es el valor de la diferencia entre la dosis mínima efectiva y la dosis máxima tolerada. Muchas drogas de quimioterapia convencional se usan a la dosis máxima tolerada. Preguntas ¿Por qué el cáncer mata? ¿Cuál es el factor de riesgo más prevalente en los pacientes de cáncer? ¿Qué es remisión? ¿Cuáles son los efectos secundarios más comunes de la quimioterapia? Tema 2: Ciclo celular Capítulos 3 y 5. Pecorino, 2016 Objetivos Describir cómo progresa el ciclo celular Conocer cuáles son los eventos donde se regula el ciclo celular Reconocer cómo fallas en la regulación del ciclo celular pueden contribuir al desarrollo de cáncer Algunos datos acerca del ciclo celular de una célula “típica” En un adulto, más de 25 millones de células llevan a cabo división celular cada segundo. Células de músculo esqueletal, neuronas y glóbulos rojos de la sangre son ejemplos de células que NO se dividen una vez maduran. Un cromosoma humano contiene en promedio 150 millones de pares de nucleótidos que son copiados a razón de casi 50 pares de base/segundo. El proceso de replicación de ADN toma 6-10 horas y se inicia (aunque no simultáneamente) en varios orígenes de replicación en el cromosoma. Mitosis dura ~1 hora. El resto del tiempo del ciclo celular (~15 horas) lo ocupa la interfase. Muchas células entran a G0, una etapa fuera del ciclo celular de la que pueden salir al recibir señales mitogénicas. Ciclo celular de una célula “típica” G0/ Fig. 5.1, Pecorino, 4e. Mitosis Mitosis profase anafase metafase telofase ~2700X Fig. 5.6. Pecorino, 4e. Un problema en la replicación de ADN en cromosomas lineales 1. Las terminaciones de cromosomas eucariotas contienen secuencias repetitivas de ADN no-codificante llamadas telómeros. Consisten de ~2,500 copias de la secuencia TTAGGG enlazadas a un grupo de proteínas llamado complejo protector. 2. Los telómeros se acortan por 100200 pares de bases con cada ronda de replicación de ADN pero pueden ser extendidos por la enzima telomerasa, una ribonucleoproteína con actividad de transcriptasa inversa. Figure 16.20 ~90% de tumores tienen actividad de telomerasa Ensayo de proliferación: Incorporación de timidina radioactiva purify B cells 2 x 105 cells/well (triplicate) anti-IgM (48 h) Proliferation (CPM x 103) splenocytes non-Tg B6 non-Tg NOD 125Tg B6 125Tg NOD [3H]-thymidine (O/N) Acevedo-Suárez, et al. (2005) J. Immunol. 174: 827-833 count Citometría de flujo (“Flow cytometry”) Permite identificar y separar células individuales a base de los “marcadores” (moléculas) en su superficie. Citometría de flujo gráfica de puntos IgD X Eje de Y cantidad de células (-, (- +) (+, +) (-, -) (+, -) Y histograma X IgM Cada punto representa una célula Eje de X Ejes (X,Y) intensidad de fluorescencia ≈ nivel de expresión intensidad de fluorescencia ≈ nivel de expresión Separando poblaciones de células por citometría de flujo CD23 CD23 125Tg fresh 125Tg 6 hr CD23 CD23 Acevedo-Suárez, et al. (2005) J. Immunol. 174: 827-833 Ensayo de proliferación: Dilución de CFSE Linfocitos B (5 x 106/ml) cultivados por 72 horas a 37°C 10 μg/ml anti-IgM sin estimular 385* 1 μg/ml anti-CD40 + 1 ng/ml IL4 83* * intensidad promedio de la fluorescencia 60* Ensayo de proliferación: Dilución de CFSE BMC Immunology 2007, 8:29 DNA content propidium iodide – DNA FITC - proteína G1 Protein J Biol Chem. 2001. 276: 41040-41048 Análisis de ciclo celular por citometría de flujo G0 S G2/M DNA content El progreso del ciclo celular es regulado en varios puntos de cotejo mitogens or TGF-β R point S checkpoint G0 / Una vez se pasa el punto de restricción (“R point”), el ciclo celular continúa independientemente de señales extracelulares. Cuando los puntos de cotejo del ciclo celular fallan… Falta de proteína Rad17 causa replicación de ADN cromosomal ya replicado, alterando cariotipo celular. Cuando los puntos de cotejo del ciclo celular fallan… Flechas indican puntos frágiles en cromosomas debido a que por falta de una cinasa, ATR, se prosiguió síntesis de ADN cuando había tenedores de replicación detenidos Control de crecimiento y proliferación celular Los niveles de ciclinas fluctúan durante el ciclo celular Las ciclinas regulan la actividad de las CDKs, permitiéndoles fosforilar (en residuos de S/T) diversos sustratos que llevan a cabo diferentes funciones durante el ciclo celular. Combinaciones de ciclina - cdk regulan el progreso del ciclo celular Fig. 5.2. Pecorino, 4e. Complejos de ciclina – cdk en una etapa del ciclo celular inhiben los complejos que les preceden. El progreso del ciclo celular es regulado por complejos de ciclina-“Cyclin Dependent Kinase” (cdk) J Biol Chem. 2001. 276: 41040-41048 -/- = KO de vav Señales extracelulares que inducen expresión de ciclina D Mecanismos de regulación de las CDKs 1. Asociación con ciclinas – permite el enlace del sustrato por medio de un cambio de conformación, puede aumentar la afinidad de la CDK por el sustrato, ayuda a obtener la orientación apropiada del ATP 2. Asociación con inhibidores de CDKs – bloquea la interacción de la ciclina con CDK y/o interfiere con la actividad enzimática del complejo ciclina-CDK 3. Adición de grupos fosfato inhibidores de CDKs – fosforilación en el terminal –NH2 de la proteína bloquea el enlace de ATP 4. Adición de grupos fosfato activadores de CDKs – la T161 debe estar fosforilada (por CAK [cdk-activating kinase] = cdk7) para la activación de las CDKs (asociación a ciclinas no es suficiente) Mecanismos de regulación de las CDKs Asociación con ciclinas Asociación con inhibidores de CDKs Adición de grupos fosfato inhibidores de CDKs Adición de grupos fosfato activadores de CDKs Fig. 5.3. Pecorino, 4e. Inhibidores de CDKs CDC2 = cdk1 TGF-β inhibe el ciclo celular CDC2 = cdk1 Balance de señales extracelulares controlan el ciclo celular El balance de señales pudiera estar relacionado a cuán avanzado esté el tumor. CDC2 = cdk1 Niveles de acetilación de histonas afectan transcripción de genes Fig. 3.8. Pecorino, 4e. La proteína de retinoblastoma (Rb) regula el ciclo celular (punto de cotejo de G1 /S) Fig. 5.4. Pecorino, 4e. cyclin A, thymidylate synthase, DHFR TGF-β colabora con Rb para inhibir progreso del ciclo celular Myc es un oncogén. Punto de cotejo de G1/S Punto de cotejo de G2/M Fig. 5.5. Pecorino, 4e. Chk 1 interactúa con una proteína llamada claspin. Una vez reparado el daño, la proteína PLK1 ayuda a que claspin y wee1 sean degradados e inactiva a Chk2. Punto de cotejo de G2/M Punto de cotejo de M (cotejo del huso mitótico) Separase activation Sister chromatid separation 4-8 Anaphase-Promoting Complex es una ligasa de ubiquitina que también media destrucción de ciclinas Varios puntos de cotejo de mitosis pueden ser regulados por cinasas de Aurora Fig. 5.7. Pecorino, 4e. Estas cinasas de S/T que regulan diversos aspectos de la estructura de los cromosomas y del ensamblaje del huso mitótico, están sobreexpresadas en varios tipos de tumores. Ejemplos de mediadores clave en la regulación del progreso del ciclo celular BRCA1 ATM/ATR anaphase promoting complex, Aurora kinases p53 Resumen de los puntos de cotejo del ciclo celular Cambios que pueden ocurrir en cáncer que alteran regulación del ciclo celular… (1 of 2) Cambios que pueden ocurrir en cáncer que alteran regulación del ciclo celular Alteraciones de reguladores del ciclo celular detectados en tumores humanos Respuesta a ciertas drogas sirve para distinguir entre células normales y células cancerosas + staurosporine (S) + camptothecin (C) célula 1 remover drogas resume ciclo celular célula 2 inhibidor de cinasa PKC, detiene ciclo celular en punto de restricción ¿S/C? inhibidor de topoisomerasa, detiene ciclo celular en fase S ¿S/C? Algunas drogas anti-cáncer que interfieren con el ciclo celular “cyclophosphamide” y “mitomycin C” – agentes alquilantes de ADN “doxorubicin” – se intercala en el ADN deteniendo el progreso de la topoisomerasa II “fluorouracil” – inhibidor irreversible de “thymidylate synthase”, necesaria para producir dTMP “hydroxyurea” – reduce producción de deoxiribonucleótidos al inhibir “ribonucleotide reductase” “methotrexate” – inhibidor competitivo de “dihydrofolate reductase”, necesaria para producción de tetrahidrofolato: precursor de dTMP y las purinas “paclitaxel” (Taxol) – estabiliza microtúbulos “vinblastine/vincristine” – enlazan tubulina e inhiben polimerización de microtúbulos Algunas drogas que interfieren con el ciclo celular: Antimetabolitos Fig. 2.12. Pecorino, 4e. Fig. 2.13. Pecorino, 4e. Algunas drogas inhibidoras de CDK actualmente en estudios clínicos Fig. 5.9. Pecorino, 4e. Tema 3: Carcinogénesis Capítulos 1 y 2, Pecorino, 2016 Objetivos Discutir factores que contribuyen al proceso de carcinogénesis Conocer eventos moleculares importantes para el proceso de carcinogénesis Distinguir entre mutagénesis y carcinogénesis Crecimiento de nuevo tejido puede ser por… Tumores se originan de tejido normal Metástasis resulta en la invasión de tejido normal por células cancerosas Tumores son monoclonales El gen para G6PD se encuentra en el cromosoma X. Incidencia y muertes por cáncer varían por área geográfica Cáncer en Puerto Rico… http://www.rcpr.org/ www.cdc.gov/mmwr/preview/mmwrhtml/mm6414a5.htm ¿Qué causa cáncer? mutágeno vs. carcinógeno mutaciones conductoras (5-7 20) vs mutaciones pasajeras Mutagénesis vs Carcinogénesis Factores que influyen carcinogénesis en seres humanos 1. Ambiente 2. Vida reproductiva 3. Dieta 4. Alcohol 5. Fumar Casos de cáncer varían entre poblaciones Pecorino, 4e. Fig. 1.4 Incidencia de muerte por varios cánceres en hombres Pecorino, 4e. Fig. 1.5 Muertes por enfermedades del corazón vs cáncer en EEUU Causa principal de muerte por estado en EEUU Carcinogénesis Es un proceso que ocurre en varias etapas… Iniciación: Un carcinógeno interactúa con el ADN de una célula alterándolo de tal forma que se introduce una mutación cuando el ADN se replica. Agente causante no tiene dosis mínima. Promoción: La mutación inicial le confiere a la célula una ventaja selectiva de crecimiento. Agente causante tiene dosis mínima. Progresión: Uno o más eventos genéticos le confieren una ventaja selectiva de crecimiento permanente a la célula. Es la etapa más larga. Conversión maligna: Cambios sufridos durante el proceso de progresión resultan en la transformación de la célula. Carcinogénesis - en la mayoría de los casos requiere tiempo edad del paciente - estimado que requiere 2-7 mutaciones - probablemente requiere cambios epigenéticos - es reversible en etapas iniciales Organización de genes y algunos ejemplos de mutaciones A C T G transición transversión Pecorino, 4e. Figs. 2.1 y 2.2 Cromotripsis Rearreglos complejos en el ADN de un cromosoma que ocurren en un solo evento catastrófico. Posibles causas: Ruptura de cromosomas debido a radiación ionizante Disfunción telomérica que fusiona terminaciones cromosómicas Apoptosis incompleta Replicación defectuosa o retrasada de ADN Reparación defectuosa de ADN Detectable en 2-3% de todos los cánceres y en 25% de cánceres de hueso. Prueba de Ames sirve para evaluar potencial mutagénico de una substancia Desarrollada por Bruce N. Ames Luz es una forma de radiación Consiste de partículas llamadas fotones que se mueven en ondas. Los fotones con un largo de onda corto poseen más energía que los fotones con un largo de onda largo. Se ha demostrado que la radiación ionizante y la luz UV son carcinogénicas y dañan el ADN. Fig. 9-2, p. 192 Espectro electromagnético microondas, celulares Pecorino, 4e. Fig. 2.4 Algunos términos La cantidad de daño biológico causado por una fuente de radiación se mide en sieverts (Sv). La cantidad de energía liberada por una fuente de radiación y absorbida por el tejido corporal se mide en grays (Gy). [1 Gy = 1 J de energía liberada/kg de tejido] Transferencia linear de energía (linear energy transfer, LET): describe la cantidad de energía liberada por una fuente de radiación cuando atraviesa una distancia fija. LET describe la razón a la cual se libera energía. A mayor LET de radiación (ej. partículas α vs. rayos X), mayor daño biológico. *Hay un factor numérico que permite multiplicar LET X Gy para producir Sv. Radiación ionizante Es de alta energía y puede desplazar e- en los átomos de las moléculas con las que choca a . Incluye: partículas alfa (α) = 2p+ + 2n partículas beta (β) = erayos gamma Puede causar daño al ADN de forma a) directa a los átomos del ADN o b) indirecta a través de la interacción con H2O (radiólisis) generando especies reactivas de oxígeno (reactive oxygen species, ROS). a: oxidación de ADN produce 8-oxoguanina parea con adenina Este cambio produce una mutación de ____________. b: H2O e- ·OH e- H2O2 e- O ·- e- O 2 2 Algunos datos adicionales… Si viaja en avión a gran altitud se expone a 0.005-0.01 mSv/hr en promedio. Rayos X de pecho exponen al paciente a ~0.1 mSv. El daño mayor causado por radiación ionizante es el rompimiento de la doble hebra de ADN. El riesgo de desarrollo de tumores cancerosos sólidos aumenta de forma linear con la dosis recibida. Exposición a los 30 años de edad aumenta el riesgo de tumores sólidos en 35%/Gy en hombres y en 58%/Gy en mujeres al llegar a los 70 años. El cáncer causado más frecuentemente por radiación ionizante es leucemia. La edad de exposición es un factor de riesgo importante. Efectos severos de la radiación ionizante Exposición a 50,000 µSv puede causar náusea y fatiga en horas 50,000 µSv causarán pérdida de cabello en 2-3 semanas 1 Sv puede causar hemorragia; ~4 Sv muerte Sobrevivientes de Hiroshima y Nagasaki: 0.08 cánceres fatales/Sv Límites recomendados de exposición a radiación ionizante International Commission on Radiological Protection (www.icrp.org) Radiación ultravioleta (UV) Los dobles enlaces conjugados de los anillos de las bases nitrogenadas del ADN absorben radiación UV. Hay tres tipos: UVA (320-380 nm), UVB (290-320 nm), UVC (200-290 nm). La radiación UVB es el agente carcinogénico más efectivo de los tres tipos. Radiación UVA promueve la formación de radicales libres, causando daño indirecto al ADN Radiación UV es particularmente carcinogénica a la piel debido a que no puede penetrar tejidos más profundos: UVC penetra sólo la capa superficial de la piel, UVB penetra hasta el nivel basal de la epidermis, UVA penetra hasta la dermis. Cánceres de la piel se clasifican acorde al tipo de célula afectada: carcinoma de células escamosas, carcinoma de células basales y melanoma. Ejemplos de daño al ADN causado por radiación UV Ejemplos de daño al ADN causado por radiación UV cyclobutane pyrimidine dimers (CPDs): 20-40X más que otros fotoproductos pyrimidine (6-4) pyrimidone photoproducts [(6-4) PPs] causados por UVB T-T>T-C o C-T>C-C causados por UVB Doblan el ADN, a menudo resultan en T-C>>C-C>T-T>C-T transiciones. Responsables por ≥ Resultan en la formación de sitios 80% de mutaciones inducidas por abásicos que son reparados con UVB. Dichas mutaciones son únicas mayor eficiencia que CPDs. para cáncer de la piel. Generación de mutaciones de transición por radiación UV Pecorino, 4e. Fig. 2.5c Broncearse = producción de melanina. Aunque ésta sirve como defensa a la absorción de radiación UV, efectos de exposición a UV son acumulativos. Bloqueadores contienen compuestos orgánicos que absorben UV(ej. cinamatos) y óxidos de Zn y/o Ti que absorben, dispersan, reflejan UV. “5-methoxy psoralen” – algunos bloqueadores solares fluoroquinolones – antibióticos (ej. ciproflaxin, levofloxacin, etc.) Xeroderma pigmentosum (XP): Daño al ADN causado por radiación UV que no puede ser reparado En niños con XP la edad mediana de desarrollo de cáncer en la piel es 8 años (vs 58 años en la población general). Si no se repara el daño al ADN causado por radiación UV las células mueren por apoptosis En 2009, la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) comenzó a clasificar el equipo para bronceado que emite luz UV como carcinogénico. Carcinógenos químicos Su mecanismo de acción se basa en que una especie electrofílica del carcinógeno reacciona con un sitio nucleofílico en los anillos de las bases nitrogenadas. Algunos actúan directamente sobre el ADN, otros necesitan ser metabolizados primero para ser carcinogénicos. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) Aromatic amines - incluyen ~20 heterocyclic amines (HCAs), producidas al cocinar carnes Azo dyes Nitrosamines and nitrosamides Hyrazo and azoxy compounds Carbamates Halogenated compounds Natural products Inorganic carcinogens Miscellaneous compounds – agentes alquilantes, aldehídos, entre otros Algunos compuestos carcinogénicos HCAs se producen al cocinar carnes (cigarillos) PAHs se derivan de (a); producen metabolitos que forman aductos con las purinas del ADN hornear, marinar y empanar carnes probablemente reduce HCAs Pecorino, 4e. Figs. 2.6-2.9 Nitrosaminas/ nitosamidas se producen por reacción de nitritos + aminas mayormente producen transversiones de GT IARC ha clasificado 81 componentes del humo de cigarillo como carcinógenos (cigarillos, carne/pescado ahumado) gas mostaza (agente alquilante) Asbestos contribuye a mutaciones, aberraciones cromosómicas, aneuploidía, poliploidía, y alteraciones epigenéticas en cáncer Producto principal Contaminación ambiental y cáncer: Perspectivas diversas "For the first time in the history of the world, every human being is now subjected to contact with dangerous chemicals, from the moment of conception until death.” Rachel Carson, Silent Spring. 1962 "I think pesticides lower the cancer rate.” "Nearly all the polluted wells in the U.S. seem less of a hazard than chlorinated tap water.” Bruce N. Ames, Entrevista con el New York Times, 5 de julio de 1994 Riesgo relativo de contraer cáncer pulmonar como función de cigarrillos fumados/día Causas conocidas (o sospechadas) del cáncer Ejemplos de carcinógenos en la dieta identificados por la prueba de Ames Otros agentes carcinogénicos Agentes infecciosos: incluyen varios virus y bacterias. Algunos suprimen la actividad de genes supresores de tumores mientras que otros expresan oncogenes. HHV-8, HTLV-I, EBV, virus de hepatitis B y C, HPV (12 tipos), Helicobacter pylori, Salmonella enterica serovar Typhi Reacciones carcinogénicas endógenas: Reacciones de respiración celular y peroxidación de lípidos producen ROS en las células. Respiración celular tiende a producir superóxidos que son menos reactivos que otros ROS y que se encuentran solamente en ciertas partes de la célula. Reacciones químicas espontáneas pueden ocasionar daño/mutaciones al ADN, por ejemplo, creación de sitios abásicos; deaminación de citosina a uracilo por APOBEC. Ocurren ~104-106 mutaciones/célula humana/día. Ausencia de corrección de errores por la polimerasa durante replicación de ADN aumenta incidencia de cáncer Algunos mecanismos de reparación de errores en el ADN 1. Reparación de errores alquiltransferasas de alquilación por enzimas 2. Distorsiones en la doble hebra de ADN causadas por UVB y PAHs requieren reparación y escisión de nucleótidos (“Nucleotide excision repair”) – defectuoso en XP 3. Mutaciones de punto causadas por mecanismos endógenos requieren reparación y escisión de bases (“Base excision repair”) 4. Errores de replicación no editados por la polimerasa requieren reparación de bases mal apareadas (“Mismatch repair”) – defectuoso en HNPCC (cáncer de colon) 5. Rompimiento de la doble hebra de ADN requiere reparación recombinatoria Reparación recombinatoria Algunos mecanismos de reparación de errores en el ADN Reparación y escisión de nucleótidos Terapias convencionales Quimioterapia 1. Agentes alquilantes y drogas a base de platino – chlorambucil (mostaza de nitrógeno); cyclophosphamide (metabolizado a derivado de mostaza); cisplatin y carboplatin 2. Antimetabolitos – methotrexate y F-dUMP 3. Compuestos orgánicos – doxorubicin (antibiótico que inhibe topoisomerasa II); vincristine y vinblastine (alcaloides vegetales que enlazan tubulina y previenen formación de microtúbulos), paclitaxel (compuesto encontrado en la corteza de un árbol que enlaza la subunidad de β-tubulina de los microtúbulos y previene su depolimerización) Ej. Pacientes de non-Hodgkin lymphoma reciben cyclophosphamide/hydroxydaunorubicin/oncovin/prednisone CHOP – Radioterapia Administrada sola o en combinación con otros tratamientos a ~60% de todos los pacientes de cáncer en los EEUU. Compuestos anti-cáncer en alimentos Tema 4: Oncogenes Capítulo 4, Pecorino, 2016 Objetivos Discutir características de oncogenes Conocer cómo oncogenes transformación celular Describir algunos involucrados en cáncer oncogenes contribuyen a comúnmente Transfección Técnica para insertar ADN en una célula mamífera. Es equivalente a la transformación de bacterias. En este ejemplo, la formación de un tumor indica la presencia de un oncogén en el ADN transfectado. Oncogén – Gen mutado cuyo producto se expresa en mayor cantidad o tiene mayor actividad de lo normal; por lo tanto, actúa de manera dominante. Se origina de un proto-oncogén. Más de 100 oncogenes han sido identificados. “Southern Blot” y “Northern Blot” Sirven para detectar específicas de ADN respectivamente. Figure 4.4 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) secuencias y ARN, ADN celular hibrida con ADN retroviral (-) (+) Fibroblastos transfectados con ADN de carcinoma de vejiga Sonda derivada de oncogén (H-ras) retroviral Oncogenes asociados a retrovirus que se han encontrado alterados en cáncer Diversos mecanismos pueden dar origen a oncogenes 1. Amplificación del ADN (~80 genes) 2. Traslocaciones cromosómicas 3. Mutagénesis por inserción 4. Mutaciones de punto 5. Rearreglos locales en el ADN (cromotripsis) Amplificación de oncogén HER2/Neu/erbB2 en cánceres de mama influye en la sobrevivencia del paciente Amplificación de HER2/Neu/erbB2 puede ocurrir a nivel de ADN, ARN o proteína Amplificación de expresión de genes cercanos al oncogén HER2/Neu/erbB2 en cánceres de mama Oncogenes presentes en regiones cromosomales comúnmente amplificadas Amplificación del oncogén N-myc y prognosis de neuroblastoma pediátrico EFS = event-free survival Una traslocación cromosómica da origen a BCR-ABL t(9;22)(q34.1;q11.2) Pecorino, 4e. Fig. 4.10 c-abl produce una cinasa de Y que responde a factores de crecimiento y que puede moverse al núcleo donde juega un rol en la inducción de apoptosis por daño al ADN causado por radiación ionizante y alguna drogas vía ATM. bcr produce una enzima que funciona como cinasa de S/T y como GAP. La fusión de estos genes produce una nueva proteína citosólica de 185-210 kDa. Cuando BCR-ABL se oligomeriza la Y177 se autofosforila, activando a ABL. Asociada a 95% casos leucemia mielógena crónica y 25% casos adultos + 2-10% casos pediátricos de leucemia linfoblástica aguda. Traslocaciones cromosómicas que producen proteínas de fusión oncogénicas Traslocación cromosómica produce sobreexpresión de c-myc Mitelman, et al. 2007. Nature Reviews Cancer 7: 233-245. Traslocación común en linfoma de Burkitt Factor de transcripción: ↑ciclinas, rARN, proteínas ribosomales, entre otros ↓bcl-2, p21 Areas de incidencia de linfoma de Burkitt en Africa coinciden con distribución de Anopheles gambiae Traslocaciones cromosómicas que dan origen a oncogenes David P. Vetter – El niño de la burbuja 21 septiembre, 1971 – 22 febrero, 1984 Nació con X-linked Severe Combined Immunodeficiency (X-SCID), causada por defecto en gen para γc (cadena gamma común) componente del receptor para IL-2, IL-4, IL-7, IL-9, IL-15, IL-21 Mutagénesis por inserción puede generar oncogenes Algunos virus que causan cáncer carecen de oncogenes. Avian leukosis virus causa cáncer (en aves) porque se inserta cerca de c-myc causando su sobreexpresión. Observado en pacientes que recibieron terapia génica para XSCID: “Moloney murine leukemia virus” - vector utilizado para terapia lmo2 - oncogen localizado en el cromosoma 11, asociado a leucemia linfoblástica aguda cuatro pacientes que recibieron terapia desarrollaron cáncer No todos los oncogenes son amplificados Una mutación de punto que resulta en un cambio de un aminoácido convierte a ras en un oncogén. Mutaciones de punto que activan a k-ras Mutaciones de punto de ras presentes en células cancerosas humanas Activación de Ras Ciclo de activación de Ras Ras puede ser activado por un gran número de señales Cascada de señales producida por activación de Ras Rol de Ras en cascada de señales dependiente de Epidermal Growth Factor (EGF) Pecorino, 4e. Fig. 4.7 Integración de cascadas de señales dependientes de Ras BCR-ABL activa a Ras Fig. 6.22 Diversos mecanismos pueden dar origen a oncogenes ras, egfr bcr-abl myc lmo2 HER2/Neu/erbB2 myc Pecorino, 4e. Fig. 4.11 Micro-ARNs (miARNs) Pequeños ARNs (20-22 nucleótidos) no-codificantes de doble hebra que regulan un gran número de procesos celulares porque reprimen la transcripción de mARNs. Se generan a partir de moléculas precursoras de ARN de mayor tamaño. Una hebra de miARN se enlaza al terminal 3’ del mARN (no son necesariamente 100% complementarios) resultando en la degradación del mensaje y/o la inhibición de su traducción. No necesariamente se inhibe expresión totalmente. Cada miARN puede regular varios genes. Se han identificado ~1000 miARNs humanos. Se estima que ~60% de genes podrían ser regulados de esta manera. Muchos genes para miARNs están localizados en áreas del ADN que presentan lesiones en varios cánceres pero que carecen de oncogenes conocidos. leucemia linfocítica crónica – caracterizada por una deleción en cromosoma 13 banda q14 que contiene miARNs miR-15a y miR-16 los cuales regulan a bcl-2. miARNs (cont.) Varios cánceres tienen perfil alterado de expresión de miARNs Expresión de miARNs puede ser regulada por oncogenes Avian leukosis virus puede insertarse cerca de un miARN y causar cáncer en aves. En humanos, sobreexpresión de miARNs está asociada a varios cánceres. miR-371-373 cooperan con oncogén ras para bloquear el punto de cotejo del ciclo celular controlado por p53. miR-17-92 está amplificado en varios cánceres. También funcionan como supresores de tumores. Proto-oncogenes están involucrados en muchos procesos celulares Ratón desnudo (nu/nu) Figure 3.13 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) Ratón SCID Haciendo un ratón “knockout” Haciendo un ratón “knockout”