Segunda parte.Segunda parte.BASES BIOMOLECULARES BASES BIOMOLECULARES

DEL CANCER.DEL CANCER.

Dr. Juan Gana H.Dr. Juan Gana H.Dr. Leonardo Zúñiga I.Dr. Leonardo Zúñiga I.

Prof. Asoc. Dr. Arnaldo Prof. Asoc. Dr. Arnaldo PorcilePorcile J.J.Post GradoPost Grado DeptoDepto de Ginecología y Obstetricia.de Ginecología y Obstetricia.

Facultad de Medicina. Facultad de Medicina. CampusCampus Oriente.Oriente.Universidad de Chile.Universidad de Chile.

Carcinogénesis• Proceso de múltiples etapas, de larga duración y que

requiere de la intervención de diversos factores.• Consta de tres etapas sucesivas: iniciación, promoción y

progresión.

1. Iniciación: alteración genética inicial producida por un carcinógeno, que es heredada por células hijas. La mayoría de las neoplasias malignas son de origen monoclonal (derivan de una célula iniciada). Se requieren múltiples alteraciones genéticas sucesivas para la transformación de una célula normal en maligna.

Carcinogénesis2. Promoción: la célula iniciada es inducida a proliferar

hasta formar una colonia pequeña de células transformadas, que pueden permanecer como tales por años hasta que comienzan a secretar un factorangiogénicoque estimula la neoformación de vasos en la vecindad, con lo que el grupo de células se vasculariza.

3. Progresión: se produce un aumento exponencial del número de células. La masa cancerosa crece rápidamente hasta hacerse clínicamente detectable. A lo largo de este proceso las células se hacen cada vez más anaplásicas y genéticamente inestables, adquiriendo el comportamiento agresivo que las caracteriza.

1. Iniciación• Para que un carcinógeno inicie el proceso de

transformación de una célula normal en maligna deben coincidir una serie de hechos.

• En el caso de carcinogénesis química, el precarcinógenodebe ser activado y permanecer en ese estado a pesar de los mecanismos detoxificadores de la célula.

• Carcinógenos químicos y virus deben ingresar al núcleo, unirse a un sitio determinado del DNA alterando proto-oncogenes y/o genes supresores y finalmente sobrepasar los mecanismos de reparación del material genético.

• En la carcinogénesis física, las radiaciones deben afectar directamente al DNA o inducir la formación de radicales libres que lo dañan.

Iniciación• La célula afectada debe replicarse por lo menos una vez

antes de 72 a 96 horas para fijar el daño al DNA. Además la célula debe permanecer durante largo tiempo en el tejido.

• Las células iniciadas no presentan cambios fenotípicos que permitan identificarlas ni poseen autonomía de crecimiento, por lo que no pueden considerarse como células neoplásicas malignas.

• Sin embargo, son susceptibles a la acción de promotores, los cuales al estimular su proliferación conducen a la formación de una neoplasia maligna. Los promotores permiten que el o los genes alterados por el iniciador se expresen en un grupo de células.

2. Promoción• Promotores: sustancias mitógenas que actúan

estimulando la proliferación. Son de acción gradual, requieren de múltiples exposiciones para transformar la célula.

• Son de diversa naturaleza: esteres de forbol, fenoles, hormonas y drogas (fenobarbital).

• Inducen cambios en la expresión génica de las células alteradas por el iniciador.

Promoción• Efectos inducidos por promotores en células in vitro o in

vivo:a) Fenotipo transformado en células de cultivob) Inhibición de la diferenciaciónc) Estimulación de secreción de plaquetas, linfocitos y

neutrófilosd) Modulación de cambios de membranae) Estimulación de proliferación celular

• Estos efectos parecen estar mediados por proteína cinasa C (PkC), enzima que fosforila residuos serina y treonina en diversas proteínas.

Promoción• La PkC fosforila una gran cantidad de sustratos (receptores

para factores de crecimiento, IL-2 e insulina, proteínas de membrana que regulan intercambio de Na+/H+), elementos que participan en la regulación de la proliferación celular.

• Se ha postulado que en una segunda fase de la promoción se produce estimulación de la enzima ornitindecarboxilasa(ODC), que estimula la síntesis de poliaminas que inducen la síntesis de DNA.

• En resumen, el iniciador produce un cambio heredable en el DNA, el cual es transferido a células hijas a raíz del estímulo proliferativo provocado por el promotor.

3. Progresión• Esta etapa se inicia cuando las células promovidas

comienzan a secretar factores angiogénicos que estimulan la proliferación de vasos que las irrigan.

• Se inicia una activa proliferación de las células transformadas, la que es inicialmente exponencial para hacerse luego más lenta.

• El tumor se hace clínicamente detectable.

Carcinogénesis química• Los carcinógenos químicos incluyen elementos naturales o

productos sintetizados por el hombre. Pueden actuar directamente o requerir de una activación enzimáticaprevia.

• La mayoría de los carcinógenos se encuentran en el medio ambiente como precarcinógenos y al ingresar a la célula son activados por enzimas detoxificadoras del retículoendoplásmico.

• Los carcinógenos activos son compuestos inestables altamente electrofílicos, con tendencia a unirse a sitiosnucleofílicos del DNA, RNA y proteínas. La unión a un determinado sitio del DNA es al azar.

• Si lesión no es reparada, la célula iniciada puede ser promovida por otras sustancias hacia fenotipo maligno.

Carcinogénesis química• Hidrocarburos policíclicos: presentes en productos de

combustión del tabaco, alimentos asados y ahumados. Requieren de activación metabólica y producen cáncer de piel al ser aplicados directamente.

• Colorantes azoaminados: se relacionan en el hombre con cáncer de vejiga urinaria y en animales con cáncerhepatocelular.

• Nitrosaminas: relacionadas con cáncer gástrico.

Carcinogénesis viralVirus DNA: • De importancia en el ser humano se encuentra el virus

papiloma humano (HPV), virus hepatitis B (HBV) y virusEpstein Bar (EBV).

• Presentan genoma circular compuesto por genes tempranos y genes tardíos; los tempranos son responsables de latransformaciónmaligna; los genes tardíos codifican las proteínas necesarias para la replicación viral y para sucápside.

• Estos virus pueden integrrse en forma estable al DNA de la célula huésped o pueden formar un episoma en el núcleo celular. El lugar de inserción viral en una neoplasia en particular es constante.

Carcinogénesis viral• Los mecanismos de transformación dependen de la forma

en que el virus se inserta al DNA o de las características de la célula infectada.

• Si se inserta en el DNA de la célula huésped de manera tal que el virus queda incapacitado para replicarse, la célula puede sufrir transformación. Esto sucede cuando se interrumpe la secuencia de los genes virales tardíosdurante la inserción, los que son necesarios para la replicación viral. En este caso sólo expresa los genes tempranos, iniciando la transformación.

• Si la célula afectada aporta al virus los elementos necesarios para su replicación completa, sufre una infección y no transformación. El virus se replica en la célula y produce lisis.

Carcinogénesis viralTransformación por HPV:• Existen más de 60 tipos de HPV genéticamente distintos,

de bajo riesgo (lesiones benignas) y de alto riesgo (asociados a cáncer cérvicouterino: tipos 16,18, 33).

• Al insertarse en el DNA celular, el genoma circular del virus de alto riesgo se rompe en regiones de los genes tardíos E1 Y E2, lo que impide replicación del virus. Además, la alteración del gen E2, que reprime normalmente la transcripción de genes tempranos E6 y E7, se traduce en sobreexpresión de éstos.

• El producto de E6 se une a proteína p53, induciendo su degradación. Esta proteína participa en control del ciclo celular, reparación del DNA, diferenciación y muerte celular programada.

Carcinogénesis viral: virus HPV• El producto del gen E7 se une al producto del gen supresor

Rb, secuestrándolo e impidiendo que mantenga a las células en reposo proliferativo.

• La diferencia entre los distintos tipos de HPV en cuanto a su poder transformante radica parcialmente en la afinidad con que sus productos se unen a proteínas p53 y Rb y en el hecho que los de bajo riesgo se incorporan al núcleo en calidad de episomas , mientras que los de alto riesgo se insertan en el DNA celular.

Carcinogénesis viralVirus RNA:• Los virus RNA son retrovirus, es decir, codifican para la enzima

transcriptasa reversa que copia la hebra de RNA del virus a una hebra de DNA complementaria que se inserta en el núcleo celular.

• El genoma del retrovirus está compuesto por los siguientes genes:a) gag, codifica para proteínas del coreb) pol, codifica para transcriptasa reversac) env, glicoproteínas de la envoltura• En cada extremo el virus tiene un LTR (long terminal repeat) con

función de promotor de la transcripción génica.• Los retrovirus pueden cumplir su ciclo vital infectando células y

utilizando su maquinaria enzimática para la síntesis de nuevos virus.

Carcinogénesis viral• Alternativamente, los virus RNA pueden ser oncogénicos,

clasificándose en tres tipos según estructura y capacidad transformante:

a) Virus transformantes agudos: transforman células en forma rápida. Han perdido información genética para su propia replicación, presentando un oncogen viral ( v-onc ), los que codifican productos que otorgan autonomía al cicloproliferativo de las células afectadas.

b) Virus de larga latencia: Requieren mayor tiempo para transformar células ya que carecen de oncogen. Producen transformación por daño directo a proto-oncogenes o por aporte de LTR (long terminal repeat) en la cercanía de proto-oncogenes aumentando su transcripción.

Carcinogénesis viralc) Virus HTLV: Presenta forma peculiar de transformación,

cuyos mecanismos están en estudio. No posee oncogen ni se inserta cerca de proto-oncogenes. Tiene tropismo por linfocitos T-CD4+ y presenta región tax. En esta región radica poder transformante del virus, ya que la proteína que codifica estimula la transcripción del gen para IL-2 y de su receptor. De esta manera, el virus activa un mecanismo de estimulación policlonal de la proliferación de linfocitos T, lo que facilita la ocurrencia de mutaciones que completan el proceso carcinogénico.

Poblaciones celularesIntroducción.• Los proto-oncogenes, genes supresores y genes

responsables de la muerte celular programada, en su versión normal, son responsables de los eventos celulares que dan cuenta del desarrollo y de la mantención de los seres multicelulares. Estos genes, en su versión alterada, conducen a la malignidad.

• Por lo tanto, se puede deducir que la explicación de la génesis y de el comportamiento de las poblaciones celulares cancerosas se apoya en el conocimiento de la función celular normal en el contexto de los tejidos

Poblaciones celulares• El ser humano se origina a partir de un oocito fecundado

por un espermio y se desarrolla a través de los procesos de proliferación, determinación, diferenciación, crecimiento y formación de matriz extracelular.

• A partir de una célula totipotente (célula huevo) se generan sucesivamente células multipotentes (ectodérmicas, endodérmicas y mesodérmicas), pluripotentes yunipotentes ( células troncales) en cuanto a su potencial de diferenciación.

• La mantención de la constancia en los tejidos en cuanto a composición y número de células se logra por una compleja red de señales provenientes desde elmicroambiente tisular o de otras partes del organismo. Estas señales controlan proliferación, diferenciación y muerte celular.

Poblaciones celulares• De acuerdo a la capacidad y potencialidad proliferativa de

sus células, los tejidos se clasifican en lábiles (en permanente renovación), estables (de renovación lenta) y permanentes (sin renovación).

• Las células tienen diferentes opciones después de finalizada la división celular:

a) Reingresar al ciclo celular y continuar proliferandob) Diferenciarse y permanecer en ese estado por largo tiempo

hasta su reingreso al ciclo proliferativo en respuesta a estímulo adecuado.

c) Diferenciarse y morir al cabo de poco tiempod) Diferenciarse y permanecer en ese estado sin posibilidad

de proliferar.

Poblaciones celulares• En tejidos lábiles, las células troncales pluri y unipotentes

están a cargo de la permanente renovación tisular. Parte de la progenie de las células troncales sigue el camino hacia la diferenciación y la muerte, el resto permanece como tal.

• En los tejidos estables, las células diferenciadas pueden reingresar al ciclo proliferativo , permitiendo renovación o reposición de células perdidas.

• En los tejidos permanentes, las células pueden crecer en tamaño o regenerar algunos de sus componentes, pero no son capaces de duplicar su DNA.

• De esta forma se crean comparimentos celulares en los tejidos.

Proliferación celular y su regulaciónCiclo celular• Consta de cuatro etapas: G1, S, G2 y M. • Existen en el ciclo puntos críticos (checkpoints) donde las

células pueden detenerse hasta que se complete un proceso o se verifique su competencia para proseguir el ciclo celular. Estos puntos se ubican en G1 antes del comienzo de S y en G2 antes del comienzo de M.

Proliferación celular y su regulación• En la regulación del comportamiento proliferativo celular

participan tres categorías principales de genes:a) Programador central o reloj control: encargado de

regulación interna, consta de serie de proteínas que comandan el paso de una etapa del ciclo a la siguiente. Los genes responsables de este sistema son los genes cdc (cell division cycle) y de ciclinas.

b) Señales positivas: estimulan a las células a salir del reposoproliferativo, a iniciar el ensamblaje y funcionamiento del reloj control y a comenzar el ciclo celular. Los genes que codifican a estas señales, a las proteínas encargadas de llevarlas al núcleo y a aquellas encargadas de modificar la expresión génica, son los los proto-oncogenes.

Proliferación celular y su regulaciónc) Señales negativas: Mantienen a las células detenidas en

algún período del ciclo celular. Los genes que codifican estos productos han sido denominados genes supresores.

• Las versiones alteradas de los proto-oncogenes hacia la hiperactividad se denominan oncogenes y el fenotipo mutante es dominante, es decir, una mutación en un solo alelo da cuenta de la transformación maligna.

• La versión alterada de los genes supresores hacia la inactividad conduce a la transformación maligna. Al ser recesivos, se requiere de la alteración de ambos alelos para lograr el fenotipo canceroso.

Proliferación celular y su regulación• Los genes que participan directa o indirectamente en la

regulación del ciclo celular comprenden genes que codifican para los siguientes elementos y procesos:

a) Factores estimuladores o inhibidores del ciclo proliferativob) Receptores y vías de transducción de señalesc) Síntesis de diversas enzimas y proteínasd) Proteínas que participan en la regulación interna o reloj

controle) Productos que detienen la proliferación enviando a las

células hacia hacia la diferenciación

Proliferación celular y su regulaciónEn el cáncer, las alteraciones de estos genes incluyen:a) Aumento en la secreción de factores estimuladores de la

proliferaciónb) Aumento en los receptores que reciben estas señalesc) Mayor actividad de las vías de transducción de señalesd) Aumento en la actividad de factores de transcripcióne) Bloqueo en la salida de células hacia la diferenciación

Regulación del ciclo proliferativoRegulación interna:• El reloj control está basado en reacciones de fosforilación

y desfosforilación y cuenta con la participación de dos tipos de proteínas:

a) Proteínas cinasas dependientes de ciclinas o “cdk”, codificadas por genes cdc. En mamíferos se han descrito cdk2 y cdc y están presentes en todo el ciclo celular.

b) Ciclinas o proteínas activantes de cdk que se sintetizan y degradan cíclicamente. Está formada por 6 proteínas: A,B,C,D,E yF. Algunas permiten el inicio de etapa S y otras a etapa M.

Regulación del ciclo proliferativo• Es así como el tránsito de las células a lo largo del ciclo

celular está gobernado por genes cdk que codifican productos, los que a través de fosforilación de diversos sustratos determinan el paso por el punto de restricción G1/S y G2/M y el tránsito por G1 y G2.

• Las ciclinas participan en estos eventos regulando la acción de las cinasas cdc o cdk a través de su unión a ellas. Los complejos cdc-ciclina, al ser fosforilados, gatillan el paso por el punto de restricción G1/S iniciando la duplicación del DNA y G2/M comenzando la mitosis.

• Las ciclinas son rápidamente degradadas una vez cumplida su función. Su síntesis cíclica así como la transcripción y actividad de proteínas cdc están influenciadas por factores extracelulares.

Regulación del ciclo proliferativo

• La presencia de señales que retrasan el inicio de S si el DNA está dañado y necesita ser reparado es de gran importancia.

• En este mecanismo está involucrada la proteína p53, deteniendo el ciclo en G1 o activando la muerte celular.

• Algunas mutaciones en el gen que codifica la proteína p53 juegan un papel fundamental en la génesis del cáncer al permitir que células entren al ciclo proliferativo.

Regulación del ciclo proliferativoRegulación externa• Se ha descrito la presencia de alrededor de 50 proteínas

que actúan como factores de crecimiento (GF) a través de receptores específicos en la membrana plasmática. Otras moléculas no proteicas como hormonas esteroidalespueden actuar de forma similar a través de receptores intracelulares.

• Existen factores específicos para un solo tipo celular (eritropoyetina) o moléculas que estimulan a varios tipos celulares: factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF) y factor de crecimiento epidérmico (EGF).

• También existen factores inhibidores de la proliferación celular (factor transformante beta, interferón beta).

Regulación del ciclo proliferativo• Los reguladores externos (estimuladores e inhibidores)

actúan sobre receptores específicos, los que envían la señal hacia el citoplasma y núcleo a través de transducción de señales (fosforilaciones sucesivas o segundos mensajeros).

• En el núcleo, factores de transcripción permiten la expresión de los genes correspondientes a las proteínas necesarias para efectuar el proceso comandado por la señal respectiva.

• En este proceso intervienen productos codificados porproto-oncogenes.

Regulación del ciclo proliferativo• Las vías que intervienen en la regulación del

comportamiento celular en los tejidos incluyen: a) Receptores con tirosinacinasas en dominio intracelular.b) Receptores ligados a través de una proteína G con

adenilatociclasa, la que genera AMPc a partir de ATP.c) Receptores que activan a través de proteína G a la

fosfolipasa C, la que genera fosfatidil-inositol-trifosfato(IP3) y diacilglicerol a partir de fosfatidil-inositol-difosfato.

d) El transportador de Na y protones aumenta pH intracelular, mecanismo que estimula proliferación celular.

e) Algunas hormonas esteroidales interactúan con receptores intracelulares, que liberan proteínas que los mantienen inactivos.

Regulación del ciclo proliferativo• Algunos oncogenes virales codifican moléculas similares a

factores de crecimiento y a sus receptores, a moléculas transductoras de señales y a factores de transcripción en el núcleo.

• La mayoría de estos oncogenes tienen su contrapartida en células humanas y son responsables de la transformación maligna en algunos cánceres humanos.

• Los productos de estos proto-oncogenes se relacionan con la regulación interna o externa de la proliferación, y además con la muerte celular programada.

Regulación del ciclo proliferativo• Al interactuar un factor de crecimiento con su receptor en

la célula se induce la expresión de proto-oncogenes tempranos (myc, fos, jun), los que codifican proteínasregulatorias de la expresión génica que son requeridas para la transcripción de genes tardíos cuyos productos incluyen proteínas involucradas en el sistema de control del ciclo (cdk y ciclinas), permitiendo el paso por el punto de restricción G1/S.

• Los productos de genes supresores inhiben la proliferación al mantener a las células detenidas en G1 o al permitir su ingreso a G0 a través de la represión de la expresión de los genes necesarios para el ciclo celular.

Regulación del ciclo proliferativo• La transcripción de los genes supresores estaría regulada

de manera similar que para los proto-oncogenes.• Están ligados a una serie de factores extracelulares que

envían señales inhibitorias de la proliferación celular. Entre ellos se encuentra el factor de crecimiento transformante beta (TGF-B), factor de necrosis tumoral (TNF) e interferón beta (IFN-B)

Regulación de la diferenciación celular• Diferenciación: adquisición de un fenotipo particular por

parte de una célula para cumplir una determinada función. • En la condición maligna hay un trastorno en este proceso.• Para que se produzca diferenciación deben silenciarse los

genes que llevan a la célula a proliferar y encenderse los genes que codifican proteínas particulares de cada estirpe celular.

Regulación de la diferenciación celular• Para mantener un tejido normal (ej: epitelio) deben

cumplirse las condiciones siguientes:1) Renovación constante de las distintas líneas celulares a

partir de una célula troncal multipotente, por lo que se requiere multiplicación de la célula troncal y diferenciación de su progenie.

2) Estos programas de diferenciación deben estar asociados a migración que asegure una ubicación espacial para las células.

3) Debe mantenerse equilibrio entre proliferación y diferenciación.

4) Debe haber concordancia entre el número de células que se originan por división celular y las que mueren.

Regulación de la diferenciación celular• Al igual que en el control de la proliferación, el

funcionamiento de los sistemas de señales responsables de estos fenómenos ocurren en el contexto de relaciones entre células, con matriz extracelular, factores de crecimiento y hormonas.

• Estas señales son internalizadas y los productos finales que surgen ordenan la transcripción de los genes necesarios para el estado diferenciado.

Muerte celular programada• La renovación constante de poblaciones celulares

involucra la muerte celular fisiológica y programada.• En condiciones patológicas, esta muerte celular es

responsable de la eliminación de células dañadas por hipoxia, toxinas y radiación, que en algunos casos pueden implicar mutaciones en el material genético.

• Apoptosis: consiste en la fragmentación del DNA y condensación de la cromatina por acción de endonucleasasy alteración del citoesqueleto y de proteínas citoplasmáticas por proteasas. Estas enzimas son activadas por factores externos (hormonas, TNF), por ausencia de factores de crecimiento o por la puesta en marcha de un programa endógeno de muerte celular.

Muerte celular programada• Durante el proceso se expresan moléculas de superficie

que permiten el reconocimiento por parte de fagocitosencargados de su eliminación definitiva.

• Los genes que participan en la regulación de la muerte celular programada están siendo intensamente estudiados. Se ha descrito que algunos genes involucrados en la proliferación y diferenciación actúan estimulando o inhibiendo la muerte celular.

• La proteína p53, producto de un gen supresor, estimula laapoptosis cuando la célula está dañadao prolonga el período G1 cuando el DNA puede ser reparado.

Muerte celular programada• El producto del gen bcl-2 inhibe la apoptosis inducida por

glucocorticoides, radiación gamma en bajas dosis y ausencia de factores de crecimiento.

• El gen bcl-2 pertenece a una nueva categoría de genes denominados reguladores de la muerte celular. Otro miembro de esta familia es el gen bax , el que promueve la muerte celular contrarrestando el efecto de bcl-2, produciendo muerte celular acelerada.

• Por lo tanto, en la célula, la razón bcl-2/bax determina la respuesta a un estímulo apoptótico.

Bibliografía

• Pepper, Inés. Cancer: etiología y patogenia. Centro de Extensión Biomédica, Facultad de Medicina, Universidad de Chile. 1997