Epigenética y cáncer (2016)

Apunte Español
Universidad Universidad de Lleida (UdL)
Grado Ciencias Biomédicas - 3º curso
Asignatura Cáncer
Año del apunte 2016
Páginas 6
Fecha de subida 03/05/2016
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3º C. Biomédicas (UdL) Irene LV CÁNCER Epigenética y cáncer La epigenética son alteraciones en la expresión de los genes, potencialmente hereditarias que no implican modificación de la secuencia del ADN. El hecho de que sean hereditarias significa que estas modificaciones son heredables de célula madre a célula hija.
Por otro lado, encontramos la metilación, que el principal mecanismo epigenético y por tanto, es el principal mecanismo epigenómico implicado en el cáncer.
Actualmente se está desarrollando la idea de que las dos partes interaccionan. Es decir, por un lado, tenemos las modificaciones epigenéticas que forman una especie de código de modificación de histonas que determina el estado de la cromatina y si los genes se expresan o no, y la metilación es un mecanismo que se encuentra bastante relacionado.
Bases moleculares del epigenoma Podemos dividir los mecanismos silenciadores de la expresión de genes en dos grupos: - Estado de la cromatina – código de histonas - Metilación del ADN, que es un fenómeno que puede afectar a los genes de forma global o bien ser un fenómeno más localizado que afecta a los promotores.
En base a esto, existen dos mecanismos generales para el control de la expresión de genes: 1. Empaquetamiento del ADN En función del grado de empaquetamiento de la cromatina, los genes serán más o menos accesibles para la maquinaria de transcripción. Atendiendo al estado de la cromatina celular encontramos dos tipos: - Heterocromatina: son regiones que presentan un gran empaquetamiento de los nucleosomas, por lo que no resultan accesibles para la maquinaria de transcripción y sus genes no se expresan.
Hay dos tipos de heterocromatina, la constitutiva, que se mantiene siempre con un elevado grado de empaquetamiento (que incluye los telómeros y los centrómeros) y la heterocromatina facultativa que son todas aquellas secuencias que no se expresan pero pueden hacerlo en algún momento.
- Eucromatina: regiones que presentan un estado laxo que las hace accesibles a la transcripción.
Estado del promotor de los genes Dentro de este mecanismo, la metilación del promotor es la principal forma de silenciamiento de la 2.
expresión de genes. Es implicada en la carcinogénesis.
Epigenoma de las células normales En los humanos, la metilación se produce sobre todo en unas regiones ricas en citosinas y guaninas (tractos CG) llamadas islas CpG (es decir, zonas con alta densidad del dinucleótido CG). La distribución de estas islas es variable: pueden encontrarse en zonas satélites, pericentroméricas o en secuencias de regulación del gen.
1 CÁNCER Curso 2015/2016 El genoma humano presenta una situación de hipermetilación global, ya que un 80% de las islas CpG humano se encuentran metiladas y además la mayoría del genoma se encuentra altamente empaquetado. Es decir, la mayor parte del genoma se encuentra en estado de represión.
Cuando la célula se encuentra en una situación de normalidad, este estado de represión es un método para prevenir la transcripción de elementos no deseados, como inserciones virales, y de alteraciones deletéreas de la secuencia.
Un 50% de los genes tienen islas CpG conservadas a nivel del promotor (en el extremo 5’). Estas secuencias ricas en el dinucleótido CG son inestables ya que, la citosina metilada tiene cierta tendencia a la deaminación y, por tanto, tendencia a perderse pero estas secuencias se conservan en los promotores de los genes supresores tumorales (que son fundamentalmente los genes a los que el estado de estas islas afecta). En condiciones de normalidad, las islas los supresores tumorales están protegidas de la metilación, permitiendo que los genes que están bajo control del promotor se expresen.
Por lo tanto, en las células normales se produce una situación global de hipermetilación (y represión) y una hipometilación localizada en las zonas de alta densidad de las islas CpG, que coinciden con los promotores de los supresores tumorales.
Epigenoma en el cáncer En las células tumorales ocurre justo lo contrario a lo que se da en las células normales. De alguna manera, se produce una situación de hipometilación global que lleva a una expresión genética que no es la deseada. Además la pérdida de metilación suele afectar a las regiones pericentroméricas, por lo que es frecuente encontrar en ellas alteraciones que llevan a la inestabilidad cromosómica.
Por otro lado, a menudo encontramos en las células tumorales las islas CpG de los promotores metiladas, lo que se traduce en una pérdida de expresión aberrante que afecta normalmente a los genes supresores tumorales.
Código de histonas El nucleosoma está constituido por 146 pares de bases y octámeros de histonas, formados por un tetrámero de H3, un dímero de H4 y otro dímero de H2. Las histonas pueden sufrir modificaciones en sus cadenas laterales (acetilación, fosforilación, metilación,…) que se traducirán en cambios en la conformación de la cromatina y, por tanto, en la accesibilidad de la maquinaria de expresión al genoma.
Los residuos que se modifican son sobre todo lisina, arginina y serina.
2 3º C. Biomédicas (UdL) Irene LV Estas modificaciones son catalizadas por enzimas, como la acetilasa de histonas (HAT) que acetila fundamentalmente las lisinas de las histonas de tipo 3 y 4. Cunado las histonas se acetilan, el ADN se hace más accesible a la maquinaria de transcripción, por lo que estos genes se expresarán.
Otra enzima encargada de las modificaciones post--traduccionales en las histonas es la deacetilasa de histonas (HDAC), que extrae la acetilación haciendo que se compacte la cromatina y que se reprima la transcripción.
Además, las deacetilasas de histonas pueden interaccionar con otras enzimas: - Metiltransferasas. Transfieren a las histonas grupos metilo. Estas también se pueden unir a otras proteínas, como enzimas de fosforilación y las proteínas MBP de unión a las islas CpG, formando un gran complejo. El efecto global que tiene la metilación de las histonas sobre el ADN es complejo y depende del aminoácido metilado. Es decir, en función del residuo metilado, la transcripción se activa (H3K4 metilación) o se reprime (H3K9 y H3K27 metiladas).
Modificación de histonas en el cáncer La hipermetilación de histonas en los promotores se los supresores tumorales se asocia a una determinada modificación de residuos de histonas. Es decir, las histonas modificadas actúan como marcador para señalar las zonas que deben metilarse.
Por ejemplo, la deacetilación de las histonas 3 y 4, más la pérdida de metilación H3K4 y la metilación de H3K9 y H3K27 son un marcador de cáncer.
La modificación de determinados residuos de histonas es un mecanismo alternativo a la metilación de genes supresores tumorales, es decir, en función de cómo están modificadas puede quedar reprimida la expresión de un supresor tumoral. Esto ocurre por ejemplo en el caso de 21 en el que el promotor no se encuentra metilado pero se produce un silenciamiento de la transcripción por hipoacetilación e hipermetilación de H3 y H4.
En la siguiente tabla podemos ver ejemplos de cómo varían las enzimas modificadoras en diferentes cánceres: Ya vemos que no se produce una sola alteración por cada tipo de tumor.
Al comienzo solo, en los tumores solo se estudiaba la metilación de promotores ya que resulta más sencilla de estudiar.
3 CÁNCER Curso 2015/2016 Metilación del promotor Cuando hablamos de metilación hablamos de la unión de forma covalente de un grupo metilo a una citosina. Las enzimas encargadas de catalizar esta reacción son las metiltransferasas (DNMTs).
Se ha observado que se trata de un fenómeno que aparece en fases preinvasivas (estadios precoces) y que afecta fundamentalmente a los genes supresores tumorales, siendo su principal mecanismo de inactivación (que raramente se inactivan por mutaciones).
Podemos encontrar 5 subtipos de metiltransferasas, aunque todas ellas regulan el proceso de metilación del ADN. Las tres más conocidas son: - DNMT1, encargada del mantenimiento del estado de metilación durante la fase S.
- DNMT3A y DNMT3B, cuya función más destacada es la metilación del ADN durante la embriogénesis. Estas son más que más se ven afectadas en el cáncer.
Se ha visto que en unas células tumorales, las NIH 3T3, se ha podido inducir la transformación tumoral mediante la sobreexpresión de la metiltransferasa de tipo 1 (DNMT1).
Se encuentran niveles elevados de metiltransferasa en diferentes tipos de cáncer: gástrico, vesical, colon, pulmón y leucemias.
Sileciamiento genético aberrante Los genes afectados están presentes en las diferentes vías implicadas en la carcinogénesis: - Control del ciclo celular - Apoptosis - Reparación del DNA - Adhesión celular - Migración y diferenciación celular En resumen, en la célula tumoral se produce un fenómeno de hipometilación global del genoma y la hipermetilación localizada en las islas CpG de los promotores.
En la siguiente imagen podemos ver un esquema de una piel normal en la que, primero, se desarrolla un papiloma, el paso previo al cáncer. Si analizamos metilación de citosinas vemos que las células se dirigen a un estado global de hipometilación y de metilación localizada de los promotores y que, en general, cambia el patrón de metilación respecto a la célula normal.
Consecuencias de los cambios epigenéticos en el cáncer - Alteraciones de la transcripción del ADN - Activación aberrante de determinados genes - Predisposición a la inestabilidad génica (alteración en la replicación cromosómica).
- Silenciamiento de genes implicados en la iniciación y la progresión tumoral - Favorece la unión de proteínas que inhiben la transcripción 4 3º C. Biomédicas (UdL) Irene LV Los estudios más recientes muestran un elevado número de genes supresores tumorales con una expresión silenciada por metilación del promotor. En la siguiente tabla podemos ver ejemplos de cuáles son estos genes y del tipo de tumor en el que se encuentran implicados.
Estudio de la metilación del promotor En los tejidos normales, las islas CpG del promotor se encuentran no metiladas pero en las neoplasias malignas podemos encontrar las citosinas de los dinucleótidos CG metiladas. Para estudiar estos fenómenos podemos hacer una PCR de metilación, que es específica para detectar la metilación de genes.
Se usan muestras congeladas para hacer esta PCR a las que se hace un tratamiento previo con bisulfito.
En función del estado de las citosinas, este tratamiento hará que las citosinas cambien a uracilo.
En la siguiente imagen vemos un estudio de la metilación del promotor de RASSF1A en cáncer de endometrio.
En esta PCR podemos encontrar bandas de metilación aunque esto no ocurre en todos los casos. La metilación del promotor se da en casi un 30% de las muestras.
Estos resultados se correlacionan con la detección de la expresión del gen mediante inmunohistoquímica.
5 CÁNCER Curso 2015/2016 Epigenética en el manejo del cáncer Podemos aplicar la epigenética a tres vertientes.
Como la metilación de promotores es un proceso que se da en las fases iniciales de la tumorogénesis, puede emplearse para el diagnóstico precoz (early diagnosis). Las casas comerciales venden kits para detectar la hipermetilación de un gen.
Como ayuda de diagnóstico podemos encontrar marcadores epigenéticos en fluidos biológicos y tejidos: - Hipermetilación de GSTP1 en el 80-90% de los casos de cáncer de próstata, detectable en orina.
- Metilación en supresores tumorales en mujeres con mutación de BRCA 1 en las secreciones de mama.
La epigenética también tiene su aplicación en el pronóstico ya que puede ser un determinante de mal pronóstico, como por ejemplo en los siguientes casos: - Metilación de DAPK (death-associated protein kinase) en cáncer de pulmón.
- Metilación de p16 en cáncer de colon - Metilación de EMP3 (Epithelial Membrane Protein 3) en tumores del sistema nervioso central.
Por último, también puede utilizarse para el seguimiento del tumor y como predicción de la respuesta al tratamiento ya que la metilación puede ser determinante de mal pronóstico.
- Silenciamiento por metilación de la proteína reparadora del ADN (MGMT) en glioma, un tumor maligno del sistema nervioso central, implica una buena respuesta al tratamiento por quimioterapia. Esto se debe a que, si la célula tiene alteraciones en una proteína reparadora del DNA, los daños inducidos por la terapia no podrán ser reparados e inducirán con éxito la muerte celular.
Ocurre lo mismo con otros tumores y otros genes reparadores, cuyo sileciamiento favorecerá la quimioterapia (cisplatino – gen hMLH1; metotrexato – gen RFC,…) Tratamiento epigenético del cáncer La metilación del ADN y la modificación de histonas son fenómenos reversibles, por lo que un potencial tratamiento podría ser el uso de agentes demetilantes que induzcan la expresión de genes que se encuentran silenciados. Ejemplos de estos agentes son la 5-azacitidina (Vidaza) y la 5-aza-2’deoxicitidina (decitabine) cuyo uso está aprobado para tratamiento de leucemia y síndrome mielodisplásico aunque no para tumores sólidos.
Potencial uso de inhibidores de las deacetilasas de histonas (vorinostat) que pueden inducir la diferenciación celular, la parada del ciclo celular y la apoptosis. De estos fármacos se tiene poca experiencia aunque se usan para tratamiento del linfoma cutáneo T.
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