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Universidad Nacional Autónoma de México Curso Genética y Biología Molecular (1630) Licenciatura Químico Farmacéutico Biológico Facultad de Química Dra. Herminia Loza Tavera Profesora Titular de Carrera Departamento de Bioquímica Lab 105, Edif E 5622-5280 [email protected]

Universidad Nacional Autónoma de México · G1/S CHECKPOINT . G1/S, en mamíferos depende de factores de crecimiento • Si no hay factores de crecimiento la célula permanece

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Universidad Nacional

Autónoma de México

Curso Genética y Biología Molecular

(1630)

Licenciatura

Químico Farmacéutico Biológico

Facultad de Química

Dra. Herminia Loza Tavera

Profesora Titular de Carrera

Departamento de Bioquímica

Lab 105, Edif E

5622-5280

[email protected]

VIII. REGULACIÓN DE LA

EXPRESIÓN GENÉTICA

• Objetivo general

– El alumno identificará los diferentes

mecanismos que operan en la

regulación de la expresión genética

en procariontes y eucariontes

Objetivos del tema

VIII. REGULACIÓN

DE LA EXPRESIÓN

GENÉTICA

El alumno... Conoci-

miento

Compren-

sión

Aplica-

ción

3. Regulación del ciclo

celular y cáncer

4.1. Conocerá los diferentes tipos de proteínas

que ejercen funciones anti-proliferativas cuya

mutación provoca la aparición de células

malignas.

X

4.2. Distinguirá entre proteínas supresoras de

proliferación y proteínas promotoras de

proliferación y su relación con el cáncer.

X

4.3. Comprenderá el mecanismo por el que la

acumulación de mutaciones hace a las células

propensas a proliferación desregulada.

X

4.4. Conocerá sobre la capacidad celular de

percibir daño a su material genético, o bien

señales erróneas de proliferación y la decisión

de promover mecanismos de muerte celular.

X

Ciclo celular y cáncer

Mitogenos

Hormonas

Factores de crecimiento

Falta de nutrientes

Radiación UV

Infección viral

Estrés térmico

DESBALANCE = TRANSFORMACION CELULAR

Los tejidos de un organismo multicelular mantienen su tamaño

gracias a una estricta regulación de ciclo celular y apoptosis

acorde a las señales extracelulares e intracelulares que

perciben las células

Cáncer

• El cáncer es un conjunto

de enfermedades en las

que el organismo produce

un exceso de células

malignas, las cuales

tienen un índice de

crecimiento y división

más allá de los límites

normales

• Potencialmente, cualquier

célula puede llegar a ser

cancerosa.

Cáncer = desbalance entre división celular y muerte

Tumores benignos y malignos • Tumor benigno: las células permanecen en su sitio de origen y no se

diseminan a otro tejidos. Se eliminan fácilmente por cirugía. Por ejemplo una verruga

• Tumor maligno: es capaz de invadir otros tejidos. Su tratamiento es muy complicado

Metástasis: invasión a otros tejidos

Clasificación del cáncer, dependiendo

del tipo celular

• Carcinoma: células epiteliales

(90% de los conocidos)

• Sarcoma: células de tejido conectivo

(músculo, hueso o cualquier tejido fibroso)

• Leucemia y linfoma:

el primero es en células

de la sangre y el segundo en células

del sistema inmune (8% en humanos)

Fases de

desarrollo del

cáncer

• Iniciación: mutación en una o varias células, ciclo celular alterado

• Progresión: mutaciones adicionales que brindan ventaja selectiva a la célula, selección clonal

El cáncer es el resultado de la

acumulación de anormalidades en

una célula

Factores que promueven el

desarrollo del cáncer • Ambientales

- químicos: ésteres de forbol, asbestos, hormonas esteroideas

- físicos: rayos UV, X o gamma

- biológicos: virus (retrovirus, papiloma) y bacterias (Helicobacter pylori)

• Genéticos

- mutaciones en genes que regulan el ciclo celular

Para que una célula se transforme (se haga cancerosa) es necesaria la combinación de dos o más de estos factores

• Agentes iniciadores:

generan daño a

nivel de DNA

• Agentes promotores:

inducen división celular

Características de las células

cancerosas • No sufren inhibición por contacto

• Producen sus propios factores de crecimiento: estimulación de crecimiento autócrina

• Producen menos moléculas de adhesión en su superficie (esto promueve la metástasis)

• Secretan proteasas que rompen la matriz extracelular de tejidos adyacentes y les permiten colonizarlos

• Secretan factores de crecimiento que promueven la generación de vasos sanguíneos a su alrededor (angiogenesis)

• Por lo general fallan en diferenciarse

• No presenta apoptosis

Factores genéticos

• Alteraciones en protooncogenes o en

genes supresores de tumores

• Mutaciones más frecuentes:

- puntuales

- amplificación de segmentos de DNA

- translocaciones cromosómicas

Protooncogenes Genes que pueden convertirse en oncogenes

Los oncogenes estimulan la proliferación celular

Genes supresores de tumores Detienen la proliferación celular

Ciclo

celular

En organismos unicelulares, el avance en el

ciclo celular depende fuertemente del ambiente

La frecuencia de división y/o crecimiento

depende del tipo celular

• La mayor parte de las células diferenciadas de los organismos pluricelulares permanecen en G0 indefinidamente.

• Las neuronas nunca vuelven a entrar en G1

• Las células cancerosas son incapaces de entrar en G0 y se dividen de manera continua

• Las células embrionarias se dividen cada treinta minutos

Células

embrionarias

Los factores de crecimiento

y las hormonas son señales

para continuar o detener el

crecimiento/división celular

Factor Fuente Actividad

EGF/ Factor de crecimiento epidérmico

Glándula submaxilar

Promueve proliferación de células del mesénquima, glía y epiteliales

Eritropoietina Riñón Promueve proliferación y diferenciación de eritrocitos

TGF / Factor de transformación

Células T y NK Inhibe proliferación de macrófagos y linfocitos

Interleucina 3 Células T activadas

Crecimiento de células hemetopoiéticas progenitoras

Interleucina 12 Células B, macrófagos

Proliferación de células NK

Interferones Macrófagos, neutrófilos

Inducción de síntesis de proteínas de membrana MHC

Factores de crecimiento y citocinas

Ciclinas y Cdk Las encargadas del control del ciclo

celular son dos tipos de proteínas:

- ciclinas

- cinasas dependientes de ciclinas (Cdk)

¿Qué es lo que hace que las células transiten a través del

ciclo celular?

Las Cdk fosforilan

diferentes proteínas

que participan en el

ciclo celular.

La actividad de las

CDKs dependen de

su interacción con las

ciclinas.

El patrón o tipo de ciclinas presentes

en cada fase del ciclo celular es

específico.

Las ciclinas

se sintetizan

y se degradan

en las

diferentes

fases del

ciclo celular

en las que

participan

Las CDKs se unen con diferentes

ciclinas a lo largo del ciclo celular

El ciclo celular progresa solo si las condiciones son las óptimas

Tipos principales de Ciclinas

• Ciclinas G1/S: promueven el crecimento de la célula y la preparan para la replicación de su DNA

• Ciclinas S: son indispensables para la replicación del DNA • Ciclinas M: regulan los eventos de la mitosis • Ciclinas D: determinan si la célula entra o no en G0

Complejos Ciclina-Cdk a lo largo del ciclo celular

Regulación de los complejos

ciclina/CDK Los complejos ciclina/CDK se regulan por cuatro mecanismos:

• Asociación de la CDK con su ciclina específica: niveles de síntesis y degradación de ciclinas

• Activación/Inactivación del complejo mediante fosforilación

• Transporte

• Unión a proteínas inhibitorias

Asociación de la CDK con su ciclina

específica: niveles de síntesis y

degradación de ciclinas

• Para que los pasos a través del ciclo

celular sean irreversibles, la ciclina se

degrada por un mecanismo de proteólisis

dependiente de ubiquitina, las dos más

importantes son:

• SCF: actúa en las ciclinas G1 y S

• APC: actúa sobre ciclinas M

Activación del complejo ciclina/Cdk por

fosforilación • Se fosforila un residuo de treonina en la posición 160 de la

Cdk por acción de la enzima CAK (Cdk-activating kinase)

• La ciclina y su correspondiente cinasa se pueden unir pero el complejo no es funcional hasta que es activado por la CAK

Fosforilación inhibitoria • Fosforilación de los residuos de tirosina 15 en levaduras o treonina

14 en vertebrados, dichos aminoácidos se encuentran en el amino

terminal de la Cdk

• Proceso catalizado por la cinasa Wee1.

Proteínas que inhiben la actividad de los

complejos Ciclina/CDK

• Los complejos Cdk/ciclina también pueden ser regulados por la

unión a proteínas inhibidoras llamadas CKIs, en células de

mamífero las CKIs principales son:

- Proteínas de la familia CIp/Kip, regulan la interfase G1/S

- Proteínas de la familia Ink4 presentes en el punto de restricción en

G1

Ciclinas D

• Responden a

factores de

crecimiento a través

de la vía

Ras/Rb/ERK

• Se encargan de

proseguir a la fase

S.

• Si el factor de

crecimiento no está

presente, la célula

entra en G0

El ciclo celular está estrictamente

regulado en distintos puntos

• En levaduras, el principal punto de control ocurre en G1 y está

definido por señales externas

En mamíferos hay tres puntos de control

del ciclo celular

1

2 3

La célula se prepara

El DNA se replica

Se corrigen errores

Profase

Pro-metafase

Metafase

Anafase

Telofase

G1/S CHECKPOINT

G1/S, en mamíferos depende de factores

de crecimiento • Si no hay factores de crecimiento la célula permanece

en estado quiescente (G0) hasta que haya un estímulo

G2/M y

ovogenesis

Estradiol

Regulación de la

replicación del

DNA

Complejo pre-replicativo

S-Cdk/Ciclina A

Inicio Replicación

P

p53 censa el daño al DNA

Si la

célula no

puede

reparar

los

daños,

entra en

apoptosis

Regulación de la mitosis

MPF es el regulador maestro de la

mitosis

• MPF (Maturation

Promoting Factor)

está formado por la

Cliclina B y la Cdk2

Cdk2

Ruptura de la

membrana nuclear

Los componentes

principales de la

membrana nuclear se

ven afectados por la

actividad del MPF

• La membrana nuclear se fragmenta en vesículas

• Los poros nucleares se disocian

• La lámina nuclear se despolimeriza

M-Cdk regula al complejo que promueve la separación de las cromátidas

Las cohesinas unen a las dos cromátidas hermanas

Transición

metafase/anafase

• Degradación

de las

proteínas

Smc1

(cohesina)

• y de la ciclina

B

Reensamblaje

de la

membrana

nuclear

Señales extracelulares

Diferenciación

Apoptosis

G0

Regulación del ciclo celular

Factores genéticos

• Alteraciones en protooncogenes o en

genes supresores de tumores

• Mutaciones más frecuentes:

- puntuales

- amplificación de segmentos de DNA

- translocaciones cromosómicas

Protooncogenes Genes que pueden convertirse en oncogenes

Los oncogenes estimulan la proliferación celular

Genes supresores de tumores Detienen la proliferación celular

Oncogenes vs Genes supresores de tumores

1 mutación

súper-activa

del oncogen

es suficiente

para

promover

cáncer

Se requieren

2 mutaciones

sobre el gen

supresor para

eliminar su

actividad y

promover

cáncer

Se requieren dos mutaciones sobre el gen supresor de

tumores para eliminar su actividad y promover cáncer

Protooncogenes

• En general,

estimulan el

crecimiento y

división celular

• En cáncer, sufren

mutaciones de

ganancia de función

• A un protooncogen

mutado se le llama

ONCOGEN

Diferentes formas por las que se

puede generar un oncogen

Protooncogenes: Ciclina D1

• De manera normal, promueve la entrada a la fase S

• Relacionado con cáncer de vejiga, de mama, de pulmón y de esófago

• Las mutaciones más frecuentes son de translocación o amplificación

Protooncogenes: Familia génica

Ras

• Modifica moléculas que intervienen en la transducción de señales de regulación del crecimiento y división celular

• Mutados en más del 40% de los tumores humanos

• Presenta mutaciones no conservativas en un solo aminoácido

Genes Supresores de Tumores

• En general, regulan los puntos de control del ciclo celular o inician el proceso de apoptosis

• Detienen el crecimiento en respuesta a daño a DNA o a señales extracelulares o participan en la reparación de DNA dañado

• En cáncer, sufren mutaciones de pérdida de función

p53

• Guardián del genoma

• Mutado en más del 50% de los cánceres

• Es un factor de transcripción que reprime o estimula la transcripción de más de 50 genes

• Responde a daño en el DNA, detiene el ciclo celular y estimula la reparación de los daños o estimula la apoptosis si los daños no son reparados

p53 • Promueve la apoptosis, activa Bax (proapoptótica) y

reprime a Bcl2 (antiapoptótica)

Genes Supresores de Tumores

RB1 • Codifica a la

proteína de retinoblastoma, pRB. Esta proteína reprime el paso de G1 a S

• Mutado en cáncer de mama, pulmón y vejiga

• El gen mutado es un gen recesivo

BRCA1 • Las mujeres que

heredan una mutación en este gen tienen 60% más de probabilidad de desarrollar cáncer de mama después de los 50 años, mientras que las que tienen el gen normal tienen sólo un 2% de probabilidad

• Repara genes PTEN, que son supresores de tumores

Oncovirus

• Virus que promueven el desarrollo de cáncer:

- Virus de la hepatitis B (dsDNA) y virus de la Hepatitis C (ssRNA): carcinoma hepatocelular

- Virus de Epstein-Bar (dsDNA): mononucleosis infecciosa (enfermedad del beso) y diversos tipos de linfoma

- Virus del Papiloma Humano (dsDNA): cáncer cervicouterino

Expresan oncogenes o promueven la expresesión de protooncogenes de la célula hospedera

Virus del Papiloma Humano

Oncogenes del papilomavirus:

E7 y E6

Algunas sustancias anti-proliferativas

Sustancia Modo de acción

Hidroxiurea Inhibidor de la ribonucleótido

reductasa

Análogos de acido

fólico (metotrexato)

Inhibidor de la dihidrofolato

reductasa (síntesis de DNA)

Análogos de pirimidina

(5-fluorouracilo)

Inhibe timidilato sintetasa, se

incorpora en RNA

Análogos de purina (6-

mercaptopurina)

Inhibición de enzimas para la

síntesis de DNA

Colchicina Inhibe el paso de metafase a

anafase, actúa sobre las

proteínas del huso mitótico

Vinblastina Interacciona con tubulina,

interfiere con el huso mitótico

La droga bloquea la vía del oncogen

Tratamiento

para leucemia

http://www.nytimes.com/2011/09/13/health/13gene.html?pagewanted=1&_r=1&nl=health

&emc=healthupdateema2

An Immune System Trained to Kill Cancer

September 13, 2011

Resumen de cáncer