Bq 33- bases moleculares de la tumorogénesis: a control del ciclo celular normal

BQ 33- BASES MOLECULARES DE LA TUMOROGÉNESIS:

A) CONTROL DEL CICLO CELULAR NORMAL

Para entender el mecanismo de acción de los genes supresores es necesario recordar lo primero el ciclo celular.

La mayor parte de nuestras células están en quiescencia (Go), fuera del ciclo celular. Para que una célula entre en el ciclo celular debe recibir un número determinado de señales.

M

Go

Los protoncogenes favorecen el paso de G1 a S; los genes supresores lo evitan.

Las dos características principales del ciclo celular son:

Alternancia de fases: S-M / M-S. Es obligatorio para la célula pasar siempre por todas las fases para completar un ciclo celular.

Presencia de puntos de chequeo: Mecanismos que aseguran la correcta transición y finalización de las fases del ciclo celular.

 G1 check;  G2 check.  M check;

CONTROLADOR DEL CICLO CELULAR

El ciclo celular se controla por los complejos CDK-ciclina. Las CDK son proteínas serín-treonín kinasa (subunidad catalítica del complejo), y las ciclinas son las subunidades reguladoras (si sus niveles son altos, la actividad del complejo es alta). En definitiva, los complejos CDK-ciclinas actúan como proteín kinasas que ejercen su control sobre los puntos de chequeo.

PUNTOS DE CHEQUEO

El sistema de control del ciclo celular inicia cada fase en el momento oportuno. En lugar de actuar como un simple reloj que asigna un tiempo determinado a cada fase, el controlador está regulado por retroalimentación en ciertos momentos críticos del ciclo celular; estos son los “puntos de chequeo”.

G1 check: Punto de restricción / compromiso. Al final de G1 y antes de S. Es el punto más importante de todos; al pasar este punto la célula queda determinada a dividirse o a morir por apoptosis. Si la célula es bastante grande y es favorable el entorno, se pasa el punto R.

G2 check: Si el DNA está totalmente replicado (no dañado), el entorno es favorable y la célula es bastante grande, pasa el chequeo y entra en la mitosis.

M check: Control de la metafase. Valora si los cromosomas están alineados en el huso.

En cualquier punto, si las condiciones son desfavorables, el sistema de control detiene a la célula en el ciclo celular.

NOTA: Para que una célula muera por apoptosis es necesario que se encuentre dentro del ciclo celular. Una célula en Go no se muere por apoptosis, se morirá por necrosis. Dentro del ciclo célular, si la célula recibe señales contradictorias entra en apoptosis.

MECANISMOS MOLECULARES

El mecanismo molecular de control del ciclo celular tiene dos componentes;

Reversible: Basado en la fosforilación / defosforilación de proteínas

Irreversible: Por procesos de proteolisis.

CAMBIOS EN NIVELES DE LOS COMPLEJOS CDK-CICLINA

Cuando a una célula en Go le añadimos factores de crecimiento suficientes, se produce la síntesis de la ciclina D, que al unirse a CDK 4-6 saca a la célula de Go y la mete en G1.

Mutaciones en la secuencia de la ciclina D que evitan su degradación: relación con tumores, ya que la célula no puede salir del ciclo celular.

Para cruzar el punto R, y por tanto poder pasar de G1 a S, es necesario que se forme el complejo ciclina E-CDK2 y que alcance unos niveles determinados.

Ya dentro de S, CDK2 se separa de la ciclina E y comienza a unirse a la ciclina A, formando los complejos ciclina A-CDK2. Este complejo nos hace pasar de G2 a M, degradándose rápidamente cuando la célula entra en mitosis.

Dentro de la fase de mitosis, se forma el complejo ciclina B-CDK1 que nos lleva la célula hasta la anafase, donde, una vez acabada la mitosis, se degrada.

TESIS: Si medimos los niveles de CDK-ciclina podemos saber en que fase del ciclo estamos:

Máxima actividad de CDK-ciclina: Mitosis.

Baja actividad de CDK-ciclina: Fase G1 (saliendo de mitosis).

B) GENES SUPRESORES TUMORALES

Son genes que controlan de forma negativa el ciclo celular (inhiben el ciclo celular). Actúan de forma recesiva.

1. pRb (RETINOBLASTOMA) (Paso Go-G1 y paso por Punto R)

La pRb es una proteína inhibidora que impide el paso de Go a G1, y G1 a S, inhibiendo la trascripción de los genes que producen el paso de estas fases. Esto lo logra uniéndose al potente factor de trascripción E2F, que es el que controla la trascripción de la dihidrofolato reductasa, DNA polimerasa alfa, timidilato kinasa, ribonucleótido reductasa y otros genes fundamentales para el ciclo celular.

La pRb se une por el “bolsillo de las ciclinas” y las inhibe, al evitar que se fosforilen y que la célula avance en el ciclo. Si se fosforila pRb y queda hiperfosforilado, se acaban activando los genes de degradación y ubiquitilación de E2F.

Reprime la expresión de determinados TFs como c-Fos y s/t muy importante de ciclina E.

En cada fase del ciclo celular podemos encontrar a pRb de una forma distinta:

En Go se encuentra defosforilado.

En G1, al pasar el punto de restricción se comienza a fosforilar (previo ese punto está deP)

En el paso G1-S se separa E2F de la fosforilada pRb.

En el paso G2-M su grado de fosforilación es máximo.

Cuando la célula sale de la mitosis, la pRb vuelve a defosforilarse.

Cdk-ciclina es capaz de fosforilar a la propia Rb de tal forma que soltará E2F y se pueden activar los genes necesarios para G1/S.

TESIS: Si no hay pRb, no hay freno del ciclo celular.

Apuntes año pasado:

El retinoblastoma es un ejemplo de tumor por inactivación de genes supresores. Para que se desarrolle, es necesario que sus dos copias estén mutadas (hipótesis de Knudson del doble insulto). Dos formas distintas de retinoblastoma:

Familiar: Debuta en la infancia. Múltiples tumores retinianos en ambos ojos. Heredan una forma ya mutada en la cel germinal, estando por tanto presente en todas sus células; sólo es necesario que se produzca otra mutación para desarrollar la enfermedad.

Esporádica: En adultos, afecta a un solo ojo. Se nace con las dos copias normales, por lo que es necesario una doble alteración sobre una célula somática para desarrollar la enfermedad.

2. INHIBIDORES DEL COMPLEJO CDK-CICLINA (Paso Go-G1): CDIs o CDKIs:

Existen dos grandes familias de inhibidores de los complejos cdk-ciclinas. En general son proteínas de bajo PM.

FAMILIA DE CKI DE FUNCIÓN DUAL

Son p21, p27 y p57. Se encuentran unidas a complejos activos cdk-ciclinas, no produciendo inhibición total. Se piensa que sus regiones COOH pueden servir de adaptadores para unir proteínas que podrían ser fosforiladas por los complejos a los que están unidas. Interacciona tanto con ciclina como con cdk.

p21 es un inhibidor negativo del ciclo celular, al inhibir la entrada en S de la célula y al asociarse a PCNA bloqueándola. (la PCNA es un antígeno nuclear de células proliferantes; una de sus subunidades es la polimerasa delta. Es usada por los clínicos para teñir los núcleos de las células que están en fase S y que por tanto posiblemente son tumorales). Es la más importante.

P27 también es un inhibidor dual (como p21, bloquea ciclinas y PCNA).

FAMILIA DE LAS ANKIRINAS

Son p15, p16, p18, p19. Todas inhiben al complejo ciclina D/CDK4-6, uniéndose al complejo por la parte de la kinasa. Todas ellas proceden de un solo locus por splicing diferencial.

Función: las del 2º grupo inhiben solo el primer complejo cdk-ciclina mientras que las del 1º inhiben los 3 primeros (todos menos el de mitosis).

Si se produce una alteración de estas proteínas se produce una pérdida de un freno lo que lanza el ciclo. Un ejemplo de tumor humano por alteración de estas proteínas son los melanomas.

3. p53 “GUARDIAN DEL GENOMA” (Chequeo del daño del DNA)bastante ampliado respecto a CD otros años:

El p53 es un TF que regula el ciclo celular y la reparación del DNA. S/e el gen no es esencial (hay individuos con ausencia normales!!) ni imprescindible para el ciclo (no se expresa ni RNA ni proteína en el ciclo normal), sólo para vigilar que todo va bien, es decir, se expresa cuando hay alguna alteración y para el ciclo en 2 puntos esenciales:

paso G1-S (punto R). Bastante conocida, envía a apoptosis.

Tb es fundamental paso G2-M: su ausencia conduce a poliploidía (típico de lo tumores). Este punto es menos conocido que el anterior. Tb es posible que actúe en parada M.

Realmente hoy día se habla de p53 como un notch o nodo, punto central de una red de respuesta a diferentes noxas que inducen su expresión (de p53):

Stress oncogénico: la señal derivada de la activación de la proliferación es capaz, paradójicamente, de activar una vía que puede matar a la célula s/t cuando faltan algunas de las múltiples señales implicadas:

La expresión de ras es capaz de inducir a p16 que es un inhibidor del complejo ciclina D-cdk 4-6. Así se frena en G1 porque tampoco se activa cdk2-ciclina E: vía efectora de citostasis y senescencia.

Myc y E2F son capaces de inducir p14ARF que regula negativamente E3 (HDM2) que se encarga de ubiquitinizar específicamente a p53 para su degradación. Así se liga estrés oncogénico con p53. Además la expresión de p53 es capaz de inhibir E3 por lo que se entra en un ciclo letal de difícil salida para la célula. P53 es capaz de inducir p21 que inhibe cdk2 por lo que se frena el ciclo (no se une a la ciclina E, no se fosforila pRb por lo que E2F inactivo,…). De nuevo la vía efectora de citostasis y senescencia.

Daño DNA:

LUV y los stop replication son capaces de activar ATR y CKII que fosforilan y activan p53.

La rotura de la doble cadena activa ATM y esta a chk2. Ambas fosforilan y activan p53.

Daño por estrés oxidativo: se produce también por ejemplo secundariamente al aumento del metabolismo inducido por el estrés oncogénico.

Produce el aumento de seladin 1 (esta proteína se descubrió en estudios de Alzheimer donde está disminuida) que es capaz de inhibir E3.

Vías efectoras de p53:

Vía de la senescencia y citostasis.

Aumento de transcripción de puma, bax, noxa: activación de la apoptosis.

Aumento de transcripción de trombospondina 1 y maspin: lleva a la inhibición de la angiogénesis tumoral.

Por ello las mutaciones del gen de p53, el más frecuentemente mutado en los tumores humanos, se relaciona con unos efectos devastadores:

Pérdida de la regulación citostasis hacia proliferación.

Pérdida de la capacidad de inhibir la angiogénesis (muy importante aunque durante mucho tiempo se dijese que eran vasos aberrantes y no funcionales, demostrado por Folkman).

Evasión de la apoptosis: quizá sea lo más determinante para la oncogénesis.

Por ejemplo, en el síndrome de Li-Fraumeni se hereda una mutación en p53 que produce una predisposición al desarrollo de Ca de mama, sarcomas, y otros tumores. 1 mutación viene en la célula germinal y la otra es adquirida. La herencia es parecida a un patrón AD por ello.

C) PASOS EN LA TUMOROGÉNESIS

MECANISMOS GENERALES TUMOROGÉNESIS:

Para que se desarrolle un tumor, es necesario que se produzcan una serie de cambios sucesivos (aunque no en un orden determinado ni tienen por qué darse todas simultáneamente ni todas secuencialmente; es decir, en un tumor pueden valer 3 y en otro alteraciones en los 6 aspectos) de forma que se acumulen suficientes alteraciones en el genoma de las células para quedar desrreguladas en estos aspectos:

Autosuficiencia de señales positivas de crecimiento: se vuelve independiente de la presencia de factores de crecimiento para poder dividirse.

Insensibilidad a señales negativas de crecimiento (por ejemplo, alteraciones en el TGF-, que es un inhibidor del crecimiento tumoral en el Ca de colon).

Evasión de la apoptosis (mutaciones de p53). Este es un mecanismo fundamental.

Alcance de un potencial replicativo ilimitado.

Angiogénesis sostenida.

Capacidad de invasión y metástasis.

Este acumulo de mutaciones va configurando el fenotipo de una célula maligna. La carcinogénesis es un proceso multiestadío.

Además ha quedado demostrado que el origen es clonal (de una sola célula). Una célula sufre una mutación inicial que le da una ventaja evolutiva frente a las demás. Frente a sus distintas células hijas hay un procesos de selección de tal forma que solo irán sobreviviendo aquellas cuyos cambios genéticos les permitan sobrevivir adecuadamente en el medio origen o de la metástasis.

MODELO: CÁNCER DE COLON

FAP 

Gen APC (mut 5q o 5q-) INICIACIÓN

Displasia

Adenoma I Mutaciónp21 K-Ras PROGRESIÓN

A

HNPCC 

denoma II Mutación gen supresor DCC (Cr18)y MMR (mismatch reparation) anál hMSH

Adenoma III

Mutación p53 (Cr17)

Carcinoma

Otras pérdidas cromos.

Metástasis

Alteración gen APC (pérdida génica o mutación 5q): Se produce la Poliposis Adenomatosa Familiar (FAP), en la que hay una pérdida de la inhibición por contacto al no reconocer las integrinas, con pérdida de la topología celular. Desde el punto de vista patológico esto se manifiesta como una displasia. En definitiva, se ve favorecida la iniciación del tumor.

Mutación K-Ras: Se muta un oncogen, estando favorecida la progresión tumoral.

Mutación en gen supresor DCC (Cr 18): Se produce el Cáncer Colorectal Heredado No Polipoideo (HNPCC), por una deficiencia en el sistema MMR. Estos pacientes, a diferencia de aquellos con FAP, no heredan la iniciación, si no una mayor progresión en caso de que se produzca una primera mutación iniciadora (por lo tanto, es menos probable que lleguen a desarrollar un Ca que en el caso de la FAP.

La célula tumoral va acumulando mutaciones, hasta que se altera el gen del TGF-.

El siguiente paso es la mutación de p53, de forma que la célula escapa de la apoptosis y se comporta como una célula tumoral.

Por último, más mutaciones en otros genes favorecen la aparición de metástasis.

FACTORES DE RIESGO CA COLON: descritos por Vogelstein (Ppe Asturias 2004), el que más ha estudiado CCR molecularmente.

Déficits esporádicos: la prelesión es el adenoma con 5% progresión a CCR.

Genes Gatekeepers (cancerberos o guardianes): controlan la relación de vecindad (inhibición por contacto). El ejemplo es el APC, y la enfermedad la FAP (poliposis con un riesgo mayor del 95% de malignización).

Genes Caretakers (cuidadores o vigilantes): Responsables de controlar la integridad celular. El ejemplo de enfemedad es la HNPCC, apareciendo como prelesión adenomas con un riesgo de malignización del 70%.

Genes landscapers (paisajísticos): Tienen que ver con el mantenimiento de la arquitectura tisular y la relación estroma-epitelio. Se da por ejemplo en pacientes con CU. Se producen hamartomas, con un riesgo de malignización del 10-20%.

SMAD 4 es una molécula implicada en la ruta de señalización del TGF beta que es un inhibidor del crecimiento.

LKB1 es una proteína kinasa relacionada con PGC1 alfa (vista en clase obesidad y DM) que estaba controlada por Ca y una proteína K dependiente de la relación energética AMP vs ATP. LKB1 se encuentra por encima de esas AMP kinasas en rutas de señalización.

Lo importante que quiere que saquemos de todo esto es que no sólo es importante en la tumorogénesis el propio epitelio sino que también es fundamental el papel de lo que tiene alrededor, es más bien un fallo mixto de la célula y lo que la rodea (aparte del papel estroma en todo lo de migración y Mtx que veremos en clases 34 y 35). Así por ej TGF beta es el principal regulador negativo y su fuente fundamental es el estroma; la alteración de genes paisajísticos produce un descenso de este TGF lo que produce un disbalance hacia la tumorogénesis porque los fibroblastos cambian y producen más MEC y más GFs positivos. Esto se ha demostrado en un artículo de Nature Nov 2004.

D) CLASIFICACIÓN MOLECULAR DE LOS TUMORES: esto es nuevo 2004

Metodología: aplicación del transcriptoma o gene profiling para ver los niveles de expresión de todos los genes y poder diferenciar tj normal del tumoral y los distintos tumores entre sí e incluso los distintos estadios de cada uno de ellos.

Permitirá:

-definir clases tumorales previamente no conocidas o confusas desde el punto de vista AP.

-definir mejor los conocidos.

-predecir la clase tumoral adscribiendo a las conocidas.

¿Por qué?

-a más precisa clasificación molecular de Tumores más preciso será el tto.

-tumores similares pueden tener una respuesta evolutiva diferenta al tto.

-puerta hacia el tto totalmente específico de cada tumos según sus mutaciones.

Ejemplo: fue realizado en 1999:

-transcriptoma diferencial de LLA y LMA. Dado que no deben confundirse ni ttarse como LMC porque los resultados son nulos y porque no existe una prueba dg rápida y eficaz para el DD.

-se cogieron los mRNAs y se hibridaron con chips de 6817 genes humanos.

-se vio que con solo analizar 50 de ellos se conseguía un DD con 99,99% de fiabilidad. Al realizar test de validación precisión del 100%.

-recordar que en estos estudio rojo es expresión y azul no expresión.

Aplicaciones:

-definir los subtipos de ca de próstata.

-ca de mama y definición de perfiles de expresión asociados a los tumores con capacidad metastásica favorecida.

-ca de páncreas.

-otras muchas.