Diapositiva 1

Genética del cáncer
Genética I - 2015
Flávio Silva Junqueira de Souza
HeLa cells stained with
Hoechst 33258
TenOfAllTrades,
Wikimedia Commons
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
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
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
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
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
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
se reproducen sin respetar los límites naturales que restringen
la división y el crecimiento celular
células
cancerosas
invaden y colonizan territorios que no les corresponden
(metástasis)
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
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)
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)
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)
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
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
Cáncer : loteria
- el desarrollo del cáncer depende de la acumulación
de varias mutaciones
humanos poseen aproximadamente 1014 células que pasan por 1016 divisiones
celulares durante una vida. La frecuencia de mutación espontánea es de 10-6 por
gen por división celular  1010 (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
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
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)
edad de incidéncia de cáncer de cólon en
mujeres en el Reino Unido
Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008
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
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
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
Cáncer : pulmón
Cancer Facts & Figures (cancer.org)
- en muchos países la mortalidad por cáncer de pulmón cae por campañas anti-tabaco
Cáncer : cuello del útero
Cancer Facts & Figures (cancer.org)
- mortalidad del cáncer cervical puede ser reducido por exámenes periódicos
(Papanicolaou)
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)
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
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
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
translocación
Scitable Nature Education
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
Cáncer : progresión tumoral
tumor
invasivo
- ejemplo: etapas de la progresión del cáncer de cuello del útero
Cáncer : progresión tumoral
células normales
células precancerosas
células cancerosas
- ejemplo: detección de células tumorales por el exámen de Papanicolaou
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
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
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
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
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
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
Cáncer : mutaciones
mutaciones en células tumorales evaden los controles a la proliferación
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 (1920 - 1951)
células HeLa teñidas con Hoechst 33258
TenOfAllTrades,
Wikimedia Commons
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
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
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
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
Cáncer : mutaciones
oncogenes y genes supresores de tumores
Cáncer : oncogenes
- el primer oncogen descripto es derivado del virus del sarcoma de Rous (RSV),
descubierto por Francis Peyton Rous en 1911
- 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
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)
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)
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
Cáncer : oncogenes
- oncogenes pueden ser activados de muchas maneras:
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
Nossal (2003) Nature
Cáncer : oncogenes
- 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
Huang et al (2010) Bone Marrow Transpl
Cáncer : oncogenes
- ejemplo: activación del proto-oncogen Myc por una translocación en linfoma de Burkitt
cariotipo de linfoma de Burkitt mostrando la translocación
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
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
Cáncer : genes supresores de tumores
retinoblastoma hereditario x no-hereditario
Cáncer : genes supresores de tumores
el alelo sano de Rb puede ser eliminado de diversas maneras
(mutación puntual, deleción, translocación etc)
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)
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
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
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
Cáncer : genes supresores de tumores
- genes supresores de tumores pueden ser silenciados por modificaciones epigenéticas,
además de mutaciones genéticas directas
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
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)
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
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
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)
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
- 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
Cáncer : virus de DNA
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)
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