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Iusef Sofía, Bioquímica 2016
MECANISMOS DE CARCINOGÉNESIS
Control del ciclo celular: quinasas dependientes de ciclinas (CDK)
El ciclo celular es una serie ordenada de acontecimientos macromoleculares que llevan a la división celular y a la
producción de dos células hijas, cada una de las cuales contiene cromosomas idénticos a los de la madre. La
regulación del ciclo celular es fundamental para el desarrollo normal de los organismos multicelulares y la pérdida de
control termina por conducir al cáncer.
Se divide en cuatro fases, en G 1 las células sintetizan ARN y proteinas durante la replicación de los cromosomas;
para prepararse para la replicación del ADN y síntesis de histonas de fase S; después de avanzar a través de G 2 , las
células inician la mitosis o fase M. La mayoría de las células diferenciadas salen del ciclo celular en G 1 e ingresan en
G 0.
1. Niveles de proteinas regulatorias: La fosforilacion y la degradación regulada de las proteinas controla el pasaje a
través del ciclo. Las concentraciones de ciclinas, subunidades reguladoras de las proteinquinasas, aumentan y
disminuye a medida que las células avanzan por este. Las subunidades catalíticas, quinasas dependientes de
ciclinas (CDK), por medio de fosforilaciones activan o desactivan procesos del ciclo celular; no poseen actividad
quinasa a menos que se asocien con una ciclina.
Complejo Fase
Ciclina D-CDK4/6 G 1 media a tardía.
Ciclina E-CDK2 G 1 tardía y S temprana
Ciclina A-CDK2 S
Ciclina A/B-CDK1 G 2 y M hasta anafase.
2. Fosforilaciones: en ausencia de ciclinas el sitio activo de CDK se encuentra parcialmente tapado por una región
de la proteína. Al unirse la ciclina esa región se aparta y se activa parcialmente la CDK. La activación completa
necesita de la quinasa activadora de CDK (CAK) que fosforila un aminoácido próximo al sitio activo. Si el
complejo CDK-Ciclina posee dos fosforilaciones se encuentra inactivo, la proteína quinasa WEE1 se encarga de
poner el fosfato inhibidor mientras que la proteína Cdc25, una fosfatasa, remueve el fosfato y revierte el estado
desactivado.
Degradación cíclica de ciclinas: complejos ubiquitin ligasa
SCF: actúa en fases G 1 y S. Es responsable de la degradación
y destrucción de ciclinas G 1 /S y algunas CKI al comienzo de
S. Su actividad es constante a lo largo del ciclo, la
ubiquitinacion mediada por SCF está regulada por cambios en
el estado de fosforilacion de las proteinas diana: solo las
fosforiladas específicamente son reconocidas, ubiquitinizadas
y degradadas.
APC: Actúa en fase M, degradando ciclinas M y otros
reguladores de la mitosis. Su actividad cambia en etapas
diferentes del ciclo; se activa por adición de subunidades
activadoras al complejo
Distintos factores de crecimiento, mitógenos, estimulan a las células a proliferar por inducción de genes de
respuesta temprana. Entre ellos, los genes que codifican CDK de G 1 , ciclinas de G 1 y los factores de transcripción
E2F.
La proteína Rb no fosforilada se une a los E2F y los convierte en represores de la transcripción. La fosforilacion
de Rb por el complejo ciclina D-CDK4/6 a la mitad de G 1 libera los E2F para activar la transcripción de Ciclina E,
CDK2; un mecanismo de retroalimentación positiva de E2F produce un aumento de ambas actividades,
impulsando el pasaje a través del punto de restricción.
El complejo ciclina E-CDK2 fosforila más Rb, con lo que E2F se activa aún más. Una vez que se expresa a nivel
crítico, se mantiene inhibida por acción de CIP, que funcionan como inhibidores de fase S, y por presencia del
fosfato inhibitorio de CDK2. A medida que las células se acercan a la transición G 1 S, la degradacion por
proteosoma de los inhibidores y la activación de la fosfatasa Cdc25 genera complejos activos ciclina A-CDK2.
Este complejo activa los complejos de prerreplicacion para iniciar la síntesis de ADN.
El complejo ciclina A/B-CDK1 induce la mitosis hasta la anafase temprana. Las ciclinas A y B son
poliubiquitinadas por acción del APC durante la anafase tardía.
Señales de inhibición
Una vía inhibidora del crecimiento es la del factor transformador de crecimiento beta (TGFβ). La unión de este factor a su receptor induce la activación de los factores de transcripción SMAD citosolicos. Después de ser traslocados al núcleo, SMAD puede estimular la expresión genes antiproliferativos como, el gen de p15, que hace que las células se detengan en G 1 ; e inactiva genes estimuladores del crecimiento como MYC, ciclinas y CDK La señalización de TGFβ también promueve la expresión de genes que codifican proteinas de MEC y el inhibidor del activador de plasminogeno 1 (PAI-1), que reduce la degradación de la matriz catalizada por plasmina.
Puntos de control
- Punto de control de ADN no replicado: impide la activación de los complejos ciclina A-CDK1 y ciclina B-CDK1 (factor promotor de la mitosis) por activación de una cascada de la proteinquinasa ATR-Chk1, que fosforila e inactiva Cdc25, inhibiendo así la entrada en la mitosis.
- Punto de control del ensamblaje del huso: Mad2 y otras proteinas inhiben la activación del factor de especificidad del APC (Cdc20) necesario para la poliubiquitinacion de la securina, impidiendo así la entrada en anafase.
- Punto de control de la separación de cromosomas: impide la liberación de la fosfatasa Cdc14 de los nucléolos, bloqueando de ese modo la activación del factor de especificidad del APC (Cdh1) necesario para la poliubiquitinacion de las ciclinas tipo B, así como la inducción de Sic1. Como resultado, no tiene lugar la disminución de actividad del complejo ciclina-CDK de la mitosis requerida para el inicio de telofase.
- Punto de control de daño del ADN: se activa la proteinquinasa ATM o ATR. Las quinasas activas desencadenan entonces dos vías, las vía Chk-Cdc25 (4ª y 4b), que bloquea la entrada en fase S, y la vía de p53-p21, que produce la detención en G 1 , S y G (^2).
Detención en G 1 en respuesta al daño del ADN
La actividad quinasa de ATM se activa en respuesta al daño del ADN debido a diversas agresiones. Luego la ATM activada desencadena dos vías que conducen a la detención en G 1 , la fosforilacion de p53 lo que estabiliza y permite la expresión de genes que codifican proteinas para la detención en G 1 y en algunos casos G 2 , para la apoptosis o para la reparación del ADN. En la otra vía Chk2 fosforilada fosforila a su vez a Cdc25, marcándola para la degradación y bloqueando su función en la activación de CDK2.
Muerte celular programada: Apoptosis
Necrosis Apoptosis Afecta a grupos de células vecinas Patológica Depleción de ATP Aumento del volumen celular Rotura de la membrana plasmática Inflamación Fragmentación de ADN aleatoria
Afecta a células únicas Fisiológica Disminución del volumen celular Membrana plasmática integra Sin inflamación (los restos celulares están en vesículas que son fagocitadas) Condensación de cromatina y fragmentación del ADN no aleatoria
En la apoptosis está involucrada una familia de proteasas llamadas caspasas, que contienen cys en su sitio activo y clivan proteinas sobre residuos de Asp. Se sintetizan como precursores inactivos (procaspasas) y son activadas por otras caspasas en complejos con proteinas adaptadoras. La activación de caspasas se da por cascadas de activación de diferentes procaspasas, una vez activas hidrolizan proteinas esenciales para la integridad celular. Inducción de apoptosis por diferentes vías: Vía extrínseca: se inicia cuando el receptor FAS se une a su ligando, FAS ligando, presentado por linfocitos NK y citotoxicos, determinando la trimerizacion del receptor y atracción de una proteína adaptadora intracelular FADD. Esta proteína recluta la procaspasa 8 para que forme el complejo señalizador e inductor de la muerte. La procaspasa 8 es activada por escisión formándose la caspasa 8, que activa a otras caspasas y también a la proteína BID que puede activar la vía intrínseca al actuar sobre BAX/BAK. Vía intrínseca: es desencadenada por una serie de estímulos, entre ellos la retirada de los factores de supervivencia, el estrés y la lesión. La activación de esta vía determina una permeabilización de la membrana mitocondrial externa, con la
Cáncer como un proceso microevolutivo
Una mutación puede dar a una célula, una ventaja selectiva que le permita dividirse más frecuentemente, dando lugar a un clon mutante en crecimiento. Un ejemplo de esto es el cáncer colon-rectal que evoluciona a través de diferentes etapas morfológicas (pólipos, adenomas benignos y carcinomas). El primer paso involucra siempre la pérdida de un gen APC (poliposis adenomatosa del colon) funcional, que se traduce en la formación de pólipos (crecimientos precancerosos) en el interior de la pared del colon. La mayoría de las células en un pólipo contiene una o dos mutaciones iguales en el gen APC que provocan su pérdida o inactivación; en ausencia de APC hay una producción inadecuada de MYC y por ende también de genes para G 1 /S. Si una de las células en un pólipo sufre otra mutación, esta vez en una proteína activadora, por ejemplo Ras, su progenie se divide de un modo aún más descontrolado y forma un adenoma de tamaño mayor. La inactivación del gen p53 conduce a la pérdida gradual de la regulación normal y la formación de un carcinoma maligno.
Una de las funciones esenciales de APC es controlar la actividad de la β-catenina. En ausencia de la señalización WNT, la APC produce su degradación. Si está presente la señal de WNT, la destrucción se bloquea, y la β-catenina se transloca al núcleo donde crea un complejo activador de la transcripción con el factor TCF. Dicho complejo fomenta el crecimiento de las células epiteliales del colon, al aumentar la transcripción de los genes Myc, ciclina D y otros. Las células que pierden APC se comportan como si estuviesen estimuladas constantemente por WNT.
Modelo de incidencias múltiples
Se requieren numerosas mutaciones/alteraciones que modifican la fisiología celular para que se desarrolle un cáncer y que consideran rasgos característicos del mismo: Autosuficiencia de señales de crecimiento: capacidad de proliferar sin estímulos externos. Insensibilidad a señales inhibidoras del crecimiento. Evasión de la apoptosis. Potencial replicativo ilimitado Angiogénesis Invasión y metástasis Evasión de la respuesta inmunitaria Inestabilidad genómica y alta tasa de mutación Desregulación del metabolismo energético Inflamación favorecedora del cáncer.
Autosuficiencia de señales de crecimiento
Ej. Activación oncogénica de RAS por mutación
Una mutación puntual que sustituye Gly en posición 12 por cualquier aa en la secuencia de RAS puede convertir la proteína normal en una oncoproteína activa constitutivamente. Esta mutación reduce la actividad GTPasa de la proteína y mantiene a RAS en el estado activo unido a GTP. En la primer parte de esta vía, una señal del receptor tirosina quinasa (RTK) activado se transporta mediante dos proteinas adaptadoras hacia RAS, convirtiéndola a su forma activa unida a GTP. En la segunda parte de la vía, RAS activada trasmite la señal a través de dos proteínas intermediarias a MAPK. Luego MAPK activada fosforila factores de trascripción que inducen la síntesis de proteínas del ciclo celular y diferenciación. Las mutaciones establecen un cortocircuito en la primera parte de esta vía y hace innecesaria la activación corriente arriba desencadenada por la unión del ligando al RTK. También existen oncogenes que codifican para otros componentes alterados de la vía RTK-Ras-MAPK. La activación constitutiva de RAS puede surgir de una mutación recesiva con pérdida de función en una proteína aceleradora de GTPasa (GAP), que normalmente hace que RAS intercambie GTP por GDP y se inactive.
Ej. Activación oncogénica de Myc por translocación Son inducidos de forma rápida y pasajera por la señalización RAS/MAPK después de la estimulación de las células quiescentes por factores de crecimiento. La conversión del proto-oncogen Myc en un oncogén puede ocurrir por distintos mecanismos, ciertos polimorfismos de un solo nucleótido están asociados con el desarrollo del cáncer; en las células del tumor humano conocido como Linfoma Burkitt, el gen Myc, es translocado del cromosoma 8 al 14 a un sitio cercano a los genes de las cadenas pesadas de los anticuerpos, normalmente activos en los glóbulos blancos. El gen Myc translocado, regulado por el amplificador génico del Ac, se expresa continuamente, haciendo que la célula se transforme en cancerosa. La amplificación localizada del segmento de ADN que contiene el gen (como ocurre en el cáncer de mama, colon, pulmón, otros) también causa una producción aumentada.
Ej. Rb
Mutaciones hereditarias en los genes supresores de tumores incrementan el riesgo de cáncer. Los niños con retinoblastoma hereditario heredan una única copia defectuosa del gen Rb. Estos niños desarrollan tumores en la retina al comienzo de la vida. Un evento esencial en el desarrollo del tumor es la deleción o mutación del gen Rb normal, lo que da origen a una célula que no produce Rb funcional. Por el contrario, las personas con retinoblastoma esporádico heredan dos alelos Rb normales, cada uno de los cuales ha sufrido una mutación somática con pérdida de función en una única célula retiniana. Es tipo se desarrolla a edad avanzada y por lo general afecta un solo ojo.
La vía extrínseca se modifica menos en los canceres, pero puede pasar que disminuyan los niveles del receptor FAS y por ende disminuya también la sensibilidad de la respuesta por FAS ligando. Otros tumores presentan altos niveles de FLIP, una proteína que se une al complejo señalizador inducido por la muerte y evita la activación de la caspasa 8.
Potencial replicativo ilimitado
Todos los canceres contienen células inmortales con un potencial ilimitado de replicación. Existen tres factores interrelacionados que resultan decisivos para su inmortalidad: (1) evasión de la senescencia, (2) evasión de la crisis mitótica y (3) capacidad de autorrenovacion. El primer factor se debe a alteraciones en los genes supresores de tumores que participan de la regulación del ciclo celular G 1 /S, como por ejemplo, el mantenimiento de la proteína RB en un estado hiperfosforilado. El segundo factor, corresponde al acortamiento de los telómeros que una vez que se pierde lleva a la célula a sufrir apoptosis; las celular tumorales tienen la capacidad de mantener los telómeros, una gran mayoría por expresión de la telomerasa y otros por mecanismos alternativos de alargamiento del ADN. Por último el tercer factor se debe a que los tumores cuentan con células madre tumorales que tienen capacidad proliferativa indefinida que favorece no solo la formación del tumor si no también su crecimiento, y que pueden ser transportadas a sitios distante.
Angiogénesis
Los tumores requieren del reclutamiento de nuevos vasos sanguíneos para crecer. El proceso de angiogénesis requiere de la degradación de la lámina basal que rodea un vaso capilar cercano, la migración de las células endoteliales que lo revisten hacia el tumor y la formación de una nueva membrana basal alrededor de los vasos elongados. Los tumores vascularizados expresan y secretan factores que estimulan la angiogénesis como el factor de crecimiento del endotelio vascular (VEGF) y/o el factor de crecimiento fibroblastico (FGF). Los nuevos vasos nutren al tumor, le permiten aumentar de tamaño y, por lo tanto, se incrementa la probabilidad de que se produzcan mutaciones adicionales.
Invasión y metástasis
La invasión y la metástasis son el resultado de complejas interacciones entre las células cancerosas y el estroma sano. Dicha invasión no es aleatoria y depende de la naturaleza de la célula y del tejido invadido. La cascada metastásica comprende:
- Aflojamiento de las interacciones entre una célula tumoral y otra
- Degradación de la matriz extracelular (MEC).
- Adhesión a nuevos componentes de la MEC
- Diseminación vascular, alojamiento de las celulares tumorales y colonización. La interacción entre células esta mediada por cadherina y su función esta alterada en los tumores, reduciendo así la capacidad de las células para unirse entre sí y facilitando su despegamiento del tumor primario. La degradación de la membrana basal y el tejido intersticial lo logran secretando ellas mismas enzimas proteolíticas o induciendo la elaboración de proteasas por las células del estroma. En la invasión interviene distintas familias de proteasas, como las metaloproteasas matriciales (MMP), la catepsina D y el activador de plasminogeno, urocinasa. Las MMP regulan la invasión tumoral no solo remodelando componentes insolubles de la MEC, si no también liberando factores de crecimiento secuestrados en ella. Además, los productos de la degradación del colágeno y proteoglucanos ejercen efectos quimiotacticos, angiogenos y promotores del crecimiento. El tercer paso de la invasión son los cambios en la adherencia de las celular tumorales a las proteinas de la MEC, la escisión de las proteinas de la membrana basal colágeno IV y laminina por las MMP genera nuevos sitios de unión a los receptores de las células tumorales y estimula su migración. El paso final es la locomoción, para impulsarse hacia adelante las células deben adherirse a la matriz en el frente de avance, despegarse de ella en la retaguardia y contraer el citoesqueleto de actina, todos esos pasos son estimulados y dirigidos por citosinas autocrinas. Sumado a que las células del estroma producen efectores paracrinos de motilidad celular y a los agentes quimiotacticos liberados al degradar la matriz. Una vez alcanzada la circulación, las células tumorales son vulnerables de destrucción por una serie de mecanismos, como la tensión mecánica, la apoptosis por pérdida de adhesión y las defensas de la inmunidad innata y adaptativa. Dentro de la circulación suelen agregarse en cúmulos, hecho favorecido tanto por la adhesión de las células tumorales entre si y entre las células tumorales y las plaquetas, así la agregación de plaquetas y tumor facilita la supervivencia e implantabilidad. Además, pueden unir y activar factores de coagulación, favoreciendo los émbolos. Finalmente la detención y extravasación implica la adhesión al endotelio, seguida de la salida de la membrana basal; en estos procesos participan moléculas de adhesión y enzimas proteolíticas
Desregulación del metabolismo energético
Las células cancerosas presentan una forma característica de metabolismo celular que se caracteriza por una elevada captación de glucosa y una mayor transformación de la glucosa en lactosa (fermentación) por la vía glucolitica. Esta glucolisis aeróbica se conoce como efecto Warburg. También aumentan la glutaminolisis y la lipogenesis. El motivo por el que las células en fase de crecimiento (tumorales y embrionarias) dependen de glucolisis aeróbica se explica por el requerimiento biosintetico estricto que poseen. El efecto neto de la fosforilacion oxidativa consiste en tomar una glucosa y combinarla con seis O 2 para producir H 2 O y 6 CO2; por lo tanto si bien genera abundante ATP, no produce ninguna sustancia carbonada para elaborar los componentes celulares necesarios para el crecimiento. La reprogramación metabólica se produce por cascadas de señalizadoras que siguen al receptor de los factores de crecimiento e implica: Señalización PI3K/AKT: su actividad regula la actividad de los GLUT y varias enzimas glucolíticas, aumentado así la glucolisis; fomenta la derivación de productos intermedios mitocondriales hacia vías que llevan a la biosíntesis de lípidos; y estimula los factores requeridos para la síntesis de proteinas. Actividad de los RTK: Las células en fase de división rápida, tanto normales como malignas, expresan la isoforma M2 de la piruvato quinasa, que cataliza la última etapa de la glucolisis. Los RTK fosforilan M2, atenuando su actividad enzimática. Esto hace que se acumulen los productos intermediarios de la glucolisis que son desviados para la síntesis de ARN, ADN y proteinas. Mientras que en los tejidos posmitóticos con una gran demanda de ATP, como el encéfalo, se expresa la isoforma M1, insensible a las vías señalizadoras de los factores de crecimiento. Myc: aumenta su expresión, impulsando cambios en la expresión génica que respaldan el metabolismo anabólico y el crecimiento celular; entre ellos se encuentras varias enzimas glucolíticas y la glutaminasa, necesaria para la utilización mitocondrial de glutamina.
La autofagia es un estado de carencia intensa de nutrientes, en el que la célula detiene su crecimiento y canibaliza sus propias organelas, proteinas y membranas como fuentes de carbono para generar energía. Las células tumorales son capaces, a menudo, de crecer en condiciones ambientales marginales sin inducir autofagia ya que dichas vías también se encuentran alteradas.
Inestabilidad genómica
Las personas con mutaciones hereditarias de los genes que intervienen en la reparación del ADN presentan mayor riesgo de desarrollar cáncer. Dichas mutaciones no resultan oncógenas por sí mismas, pero sus anomalías aumentan en gran medida la aparición de mutaciones en otros genes durante la división celular normal. Los defectos en los tres tipos de sistemas reparadores de ADN contribuyen a diferentes tipos de cáncer: Síndrome hereditario de cáncer de colon sin poliposis (CCHNP): El defecto está en los genes que codifican proteinas de la reparación de los emparejamientos erróneos de ADN. Estas personas heredan una sola copia y la otra se muta aleatoriamente, perdiéndose la función del gen. Xerodermia pigmentaria: presentan más riesgo de padecer cáncer de piel, sobretodo tras la exposición a rayos UV. Hay una mutación en un gen de proteinas de la reparación por escisión de nucleótido y no pueden y eliminar los dímeros de pirimidinas. Síndromes con defectos en la reparación por recombinación homóloga: se caracterizan por hipersensibilidad a los agentes lesivos del ADN.
La mayoría de los retrovirus oncogénicos inducen cáncer después de meses o años. Los genomas de estos retrovirus de acción lenta difieren de otros virus en que carecen de oncogenes. Todos los virus de acción lenta parecen generar cáncer integrándose al ADN de la célula huésped cerca de un proto-oncogen y activando su expresión. Las secuencias de repeticiones terminales largas (LTR) en el ADN retroviral integrado pueden actuar como un amplificador o promotor de un gen cercano. Unos pocos virus de ADN son oncogénicos. Integran su ADN viral al genoma de la célula huésped que posee uno o más oncogenes, que permanentemente transforman las células infectadas.
Quimioterapia La mayoría de las formas de quimioterapia utilizan drogas que, como al radiación, eliminan células en división por ende no so n específicas. Las drogas se subdividen en:
- Antimetabolitos : inhiben las rutas metabólicas requeridas para la síntesis de ADN. Por ejemplo: metotrexato (Análogos del ác fólico), fluorouracil (análogos de pirimidinas) y mercaptopurina (análogo de purinas).
- Agentes alquilantes : inhiben la función del ADN a base de formar puentes químicos cruzados en la doble hélice del ADN. Ej.: ciclofosfamida y cisplatino.
- Antibióticos : sustancias fabricadas por microorganismos que inhiben el funcionamiento del ADN uniéndose a él o inhibiendo la Topoisomerasa. Ej.: bleomicina y Doxorrubicina.
- Drogas derivadas de plantas : inhiben a las topoisomerasas o alteran los microtubulos del huso mitótico. Ej. el inhibidor de topoisomerasas “etoposido” o la droga que disgrega microtubulos, taxol.
Terapias dirigidas Pretenden eliminar específicamente a las células cancerosas, disminuyendo el daño a las células normales en división. Ej. Terapia génica, anticuerpos monoclonales, inhibidores de quinasas, terapias personalizadas, etc. Blancos terapéuticos Ej. Terapia Anti-EGFR Ac. Monoclonales que se unan al receptor GFR e inhiban la vía.
