Introducción: bases moleculares del cáncer · 2020. 1. 15. · Introducción: bases moleculares...

Material didáctico creado por Mar Benito, MSc https://www.linkedin.com/in/marbenito/

Introducción: bases moleculares del cáncer

MÓDULO 1: GENÓMICA EN ONCOLOGÍA

CURSO DE MEDICINA GENÓMICA EN ONCOLOGÍA Y SUS

APLICACIONES CLÍNICAS

Material didáctico: Módulo 1-Clase 1

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Material didáctico: Módulo 1 - Clase 1

Curso de Medicina Genómica en Oncología y sus aplicaciones clínicas Página 0

ÍNDICE

MÓDULO 1: GENÓMICA EN ONCOLOGÍA

Clase 1.1: Introducción: bases moleculares del cáncer

Profesor: Dr. Carlos Mackintosh

1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 1

2. PERSPECTIVA HISTÓRICA ........................................................................................................... 1

3. GENES SUPRESORES DE TUMORES VS. ONCOGENES ................................................................ 2

4. TIPOS DE MUTACIONES EN CÁNCER.......................................................................................... 3

5. FUNCIONES GÉNICAS EN CÁNCER ............................................................................................. 5

6. MUTACIONES CONDUCTORAS (DRIVER) VS. MUTACIONES PASAJERAS (PASSENGER) .............. 6

7. IMPACTO CLÍNICO DE LOS ÚLTIMOS AVANCES EN CÁNCER ...................................................... 6




1. INTRODUCCIÓN

El cáncer es una proliferación anormal de células ya diferenciadas que no deberían

dividirse. El cáncer son más de 100 enfermedades distintas. A nivel molecular el cáncer está

activando toda una serie de programas transcripcionales y desregula procesos celulares con

el objetivo de volver a activar una proliferación que solo debería estar presente en el

desarrollo embrionario y en el crecimiento.

Se recomienda leer el artículo Hallmarks of cancer de Douglas Hanahan y Robert Weinberg y

una actualización que se ha publicado recientemente. En este artículo se presenta el cáncer

como una especie de ginkana en la que la célula tumoral tiene que superar una serie de

barreras hasta llegar a la meta final, que es la diseminación a distancia o metástasis. Estas

barreras son la evasión de los supresores tumorales, la activación de la metástasis, la

apoptosis, etc. La célula tumoral lleva a cabo muchos procesos como evadir el sistema

inmune, reclutar vasos sanguíneos (angiogénesis), activar las metaloproteinasas para

romper la matriz extracelular y poder escapar del tejido, etc. Todo esto es tan complejo que

cada laboratorio se dedica a investigar una de estas áreas.

DIAPOSITIVAS 3 Y 4

2. PERSPECTIVA HISTÓRICA

Hoy en día sabemos que el cáncer es una enfermedad genética, pero ha llevado siglos llegar

a esta conclusión. Percivall Pott en el s.XVIII descubrió que siempre hay un estímulo

carcinógeno que correlaciona con la aparición del tumor. En 1989 Varmus y Bishop ganaron

el premio Nobel por su descubrimiento en 1970 de un virus de pollo (virus del Sarcoma de

Rous) que podía saltar de una célula a otra, y que tenía insertado un gen de vertebrados,

(SRC, el primer oncogen que se describió) que le permite infectar a la célula e iniciar el

proceso tumoral. Barbacid y Eugenio Santos, en paralelo con Robert Weinberg, clonaron el

primer oncogen en células fribroblásticas, que con ello pasaban a ser tumorales.

Los descubrimientos del grupo de Bert Vogestein en los años 90 son muy útiles para

comprender el cáncer. Se dieron cuenta de que el cáncer colorectal se desarrollaba de la

siguiente manera (diapositiva 6):

- se da una primera mutación en el gen APC en las células del epitelio del colon y se forma un

pólipo que tiene una pequeña diferencia en la tasa de proliferación, pero que todavía

mantiene la estructura de tejido.

- se da una segunda mutación que suele ser en KRAS y se empieza a formar el adenoma, hay

más proliferación y se empieza a perder la estructura de tejido, pero el tumor todavía está

recluido por la membrana basal.




- se dan una serie de mutaciones más, el tumor se disemina y esto es lo que va a matar al

paciente.

DIAPOSITIVAS 5 Y 6

3. GENES SUPRESORES DE TUMORES VS. ONCOGENES

Genes supresores de tumores: son los guardianes. Su función es mantener la homeostasis

y el control celular, en definitiva, evitar la formación del tumor, entre otras cosas. Son genes

apoptóticos, inhibidores del ciclo celular, etc. Para que se den mutaciones en estos genes se

tienen que truncar los dos alelos (Modelo Two Hit de Knudson).

Oncogenes: son genes que favorecen el cáncer, pero que normalmente están bajo

regulación en la célula. Las mutaciones en los protoncogenes hacen que estos se

transformen en oncogenes, saldrán de la regulación de la célula y harán que se den cascadas

de señalización, etc. Las mutaciones se dan normalmente en uno de los alelos, en unos sitios

específicos llamados Hot spots, lo que provoca una ganancia de función.

Un ejemplo de esto son los genes APC (supresor tumoral) y Beta-catenina (oncogen). Estos

dos genes están implicados en una ruta de señalización que se desregula en cáncer.

Normalmente APC ubiquitina a Beta-catenina para que se degrade y no pueda ir al núcleo a

activar el programa oncogénico. El tumor puede hacer dos cosas, mutar al supresor tumoral

en los dos alelos, en un punto temprano para que se trunque la proteína, y siempre se

genera un codón de stop. De esta manera la Beta-catenina se puede ir al núcleo y actuar

como un oncogen. También puede ser que el tumor mute un hot spot del oncogen, de

manera que APC ya no pueda coger a Beta-catenina así, esta no será ubiquitinada, y podrá ir

al núcleo.

En la diapositiva 9 se muestran los 20 genes más mutados en tumores sólidos de adultos, que

son los más persistentes. Vemos que son siempre los mismos genes, lo que cambia es la

frecuencia de mutación. Por ejemplo, en cáncer colorectal APC y KRAS son los que mutan

más frecuentemente, mientras que en melamona el que muta más frecuentemente es BRAF,

pero también se encuentran mutaciones en APC y KRAS con menor frecuencia.

En carcinoma renal de células claras, los genes que mutan más frecuentemente son VHL y

PBRM1, que no son los más mutados en ningún otro tipo de cáncer. Esto nos indica que en

cada tipo de tejido el camino molecular preferente que conduce al cáncer es distinto.

Por otra parte, aunque siempre muten los mismos genes, no siempre lo hacen de la misma

manera. Por ejemplo en cáncer colorectal y adenocarcinoma, la mutación de KRAS en el

residuo G12 es predominante, sin embargo en cáncer gástrico es más común la mutación en




el residuo G13 y Q61. En adenocarcinoma de pulmón la mutación en EGFR prácticamente

siempre se da en el dominio tirosinakinasa, mientras que en glioblastoma las mutaciones de

este gen se dan en el dominio extracelular. En melanoma la mutación en BRAF es siempre en

V600, pero en otros tumores no es tan predominante. Esto nos permite diseñar fármacos

específicos que solo sirven para un tipo de mutación.

Esto nos indica que hay unos procesos mutacionales distintos detrás de estos tumores, y que

puede que estas mutaciones no sean equivalentes, aunque todavía no está totalmente

demostrado.

También sabemos que la tasa de mutación en diferentes tumores es muy distinta. Puede ir

desde 0,001 mutaciones por megabase (tumor rabdoide) hasta 1000 mutaciones por

megabase (melanoma y cáncer de pulmón). Si miramos las mutaciones en la secuencia

codificante, que comportan un cambio de aminoácido, veremos que los tumores pediátricos

y el cáncer hematológico están hipomutados, mientras que los que están inducidos por

carcinógenos como el melanoma y el cáncer de pulmón, tienen una alta tasa de mutación. En

cáncer colorectal con deficiencia del mismatch repair, esta tasa es todavía más alta es todavía

más alta (diapositiva 12). El hecho de que los tumores pediátricos tengan pocas mutaciones

nos indica que estas mutaciones son muy potentes. En tumor rabdoide siempre está mutado

SMARCB1, lo que provoca que se pierda un complejo remodelador de la cromatina, haciendo

que el estado de la cromatina se desregule de manera muy importante.

DIAPOSITIVAS 7-12

4. TIPOS DE MUTACIONES EN CÁNCER

La gran mayoría de alteraciones en cáncer son del tipo SNV, es decir un nucleótido cambia a

otro. También hay inserciones y deleciones de pequeño tamaño, CNVs (ganancias y pérdidas

de material genético) y variaciones estructurales.

De media se dan unas 57 mutaciones codificantes por tumor, de las que un 95% son del tipo

SNV. Se ha visto alguna mutación en todos los genes del genoma humano en algún tumor,

pero esto no significa que todas las mutaciones sea importantes a nivel clínico o biológico.

En la fecha en la que se publicó el artículo de la diapositiva 13, había unos 275 oncogenes

descritos y unos 470 hot spots.




Las alteraciones estructurales suelen ser translocaciones, muchas veces balanceadas, como

BCR-ABL o cromosoma Philadelphia. Se empezaron a ver en los años 70 con el bandeado de

cromosomas y luego en sarcomas con FISH y microarrays. Hoy en día, gracias al NGS

sabemos que hay más de 10.000 fusiones descritas, de las cuales más de 300 son

recurrentes.

Cuando se da una translocación puede ser que:

- no haya ningún gen involucrado, no hay efecto.

- se trunque un gen y se pierda la función

- se puede generar un gen de fusión, de manera que queda el N terminal de una proteína y el

C terminal de otra proteína. Esto puede tener una función oncogénica muy fuerte. En

linfoma la secuencia reguladora de la expresión de las inmunoglobulinas queda al lado de un

oncogen, lo que hace que este oncogen tenga una sobreexpresión.

¿Qué es lo que causa estas mutaciones?

- carcinógenos: desde el s.XVII se sabe que existen los carcinógenos como el humo del

tabaco, la luz UV, estrógenos, agentes alquilantes, etc., pero el metabolismo celular también

forma radicales libres que atacan al ADN.

- formación de zonas abásicas, porque se rompe un enlace covalente de la base nitrogenada.

- el fallo en los mecanismos de mantenimiento del ADN. Pueden fallar las polimerasas y

cometerse errores o fallar los sistemas de reparación del ADN. Hace poco que se sabe que

existen unas citidindeaminasas que de manera endógena cogen las citidinas y las

transforman en uracilo o timidina según si están metiladas o no, y dan lugar a un fenómeno

que se llama Kataegis, que provoca una gran concentración de mutaciones en un espacio

reducido del genoma.

Lo importante es que cada uno de estos ataques al ADN o errores en el sistema de

reparación al ADN genera una firma mutacional distinta. Si falla el sistema de reparación del

ADN tenderemos un fenotipo hipermutador y la célula va a ir acumulando mutaciones (lo

descubrió Manuel Perucho). A veces sabiendo la firma mutacional podemos deducir la causa

de las mutaciones. También hay ciertos tumores que suelen tener una firma determinada,

por ejemplo, el melanoma causado por UV. Las firmas tendrán una gran utilidad clínica en el

futuro. En la diapositiva 20 se muestra un artículo muy reciente en el que se demuestra que

es más útil mirar la firma mutacional que se deriva de la pérdida de funcionalidad del

complejo BRCA1- BRCA2, que solo la pérdida del complejo. En cáncer de mama la pérdida del

complejo se da en el 5% de los casos, mientras que la firma mutacional está presente en el

22% de los casos. Esto es muy importante porque los inhibidores de PARP funcionan muy

bien cuando falta este complejo

DIAPOSITIVAS 13-20




5. FUNCIONES GÉNICAS EN CÁNCER

Las funciones génicas más importantes en cáncer son las transducciones de señal. Son

importantes los receptores de membrana que reciben señales químicas, de crecimiento, de

inflamación, etc. y las transducen al núcleo mediante la activación de programas

transcipcionales, con cascadas enzimáticas del tipo tirosinakinasa o serintreoninkinasa.

Esto se conoce bien por todos los estudios llevados a cabo por la industria farmacéutica.

Existen otras funciones génicas en cáncer poco exploradas, como los reguladores

epigenéticos, reguladores de splicing, reguladores del ciclo celular, factores de transcripción.

Algunos ejemplos de estas actividades son:

- p53, el guardián de la célula. Es el gen más mutado en cáncer, más del 60% de los tumores.

Es un factor de transcripción que se une en forma de tetrámero al ADN y activa programas

en respuesta a daños a la célula. Cuando se fosoforila se libera de su represor y se va al

núcleo, allí activa el programa transcripcional de apoptosis, la célula se suicida, de

senescencia, la célula para de crecer, o de parada del ciclo celular (diapositiva 23).

- KRAS es el oncogen más mutado, tiene actividad smallGTPasa. Cuando llega la señal de

crecimiento, KRAS se une a GTP durante un periodo corto de tiempo, luego se hidroliza ,

pasa a GDP y se vuelve inactivo. Cuando hay una mutación, KRAS permanece unido a GTP y

por tanto siempre está activo, indicando a la célula que debe crecer (diapositiva 24).

Hoy en día no hay fármacos eficientes contra p53 ni KRAS. Para parar KRAS podríamos

intentar inhibir aguas abajo a factores de transcripción de su cascada, aunque esta

estrategia no acaba de funcionar bien.

- EGFR es un receptor de membrana, el tumor crea mutaciones en hot spots, que hacen que

esté activo de forma constitutiva. EGFR actúa en la ruta RAF-MEK-ERK y en la PI3K-AKT-

mTOR. En la diapositiva 25 se muestran las mutaciones más comunes y conocidas. Existen

inhibidores de EGFR muy potentes, sobre todo en cáncer de pulmón.

- PI3K es una kinasa lipídica que fosforila el fosfatidilinositolbifosfato (PIP2), y lo pasa a

fosfatidilinositoltrifosfato (PIP3). Cuando esto ocurre se activan una serie de pasos aguas

abajo hasta llegar al complejo mTOR, que activa el anabolismo de los lípidos, prótidos y

ácidos nucléicos. Estas piezas son las que necesita la célula para crecer. Hay fármacos para

esta ruta, pero todavía no hay ninguno aprobado.

- Oncogenes inesperados. Gracias a la NGS se han empezado a encontrar oncogenes que no

se esperaba que lo fueran. En 2009 se vio que en glioblastoma y leucemia mieloide aguda

había una tasa de mutación muy alta del gen IDH1, en el residuo R132. Este gen codifica

para una isocitrato deshidrogenasa, que es una actividad que nunca se habría relacionado

con cáncer. En 2010 una empresa farmacéutica se dio cuenta que esta mutación provoca




una actividad neomórfica (nueva), ahora transforma el sustrato en 2 hidroxiglutarato (2-

HG), que tiene una potente actividad como inhibidor enzimático, sobre todo sobre

reguladores epigenéticos.

DIAPOSITIVAS 21-27

6. MUTACIONES CONDUCTORAS (DRIVER) VS. MUTACIONES PASAJERAS

(PASSENGER)

Si vamos a una base de datos de mutaciones en cáncer como Cosmic y buscamos por

ejemplo cáncer de pulmón, la primera mutación que encontramos es en p53, pero luego

encontramos una serie de mutaciones en genes que no son relevantes para la biología del

cáncer. La célula cancerosa puede haber sufrido muchas mutaciones, pero no todas serán

relevantes. Las mutaciones no relevantes se llama mutaciones pasajeras (passenger) y las

que si lo son se llaman mutaciones conductoras (driver).

Hay zonas muy mutadas en cáncer debido a la estructura de la cromatina, los genes más

grandes también suelen estar más mutados por probabilidad, así como los que se replican

más tarde y los que se transcriben menos. En la diapositiva 31 se ven las mutaciones en un

supresor tumoral, en un oncogen y en un gen no relevante, vemos que las mutaciones en

este último gen no están en los dominios funcionales, sino que se reparten por toda la

secuencia, y no tienen un impacto funcional.

DIAPOSITIVAS 29-31

7. IMPACTO CLÍNICO DE LOS ÚLTIMOS AVANCES EN CÁNCER

En la diapositiva 33 se muestra un algoritmo de tratamiento de cáncer de pulmón no

microcítico de enero de 2017, se ve que el tratamiento varia según las mutaciones que se




encuentren. En unos años esto avanzará mucho y el algoritmo será mucho más grande y

complejo. Para usar cada tipo de fármaco se requerirá un test genético previo.

En cáncer colorectal está pasando algo muy parecido. Cada tratamiento tiene una lista de

biomarcadores asociados cada vez más compleja.

La inmunooncología está sufriendo una gran revolución, aunque esta rama de estudio ya

lleva décadas existiendo. Muchas veces los patólogos se encuentran una gran cantidad de

infiltrados linfocitarios junto al tumor. Esto son linfocitos que han reconocido el tumor,

puede ser que lo hayan hecho gracias a neoantígenos creados por la gran tasa mutacional. El

cáncer lo que hace es exponer una serie de marcadores de membrana que inhiben a los

linfocitos. Los linfocitos llegan hasta el tumor pero no le hacen nada. Si cortamos la

interacción con estos marcadores, el linfocito se dispara y destroza el tumor. Los ensayos

clínicos con fármacos de este tipo están dando muy buenos resultados, algunos por encima

del 40% en ORR (objective response rate).

A nivel de rutina clínica, en el Memorial Sloan Kettering Cancer Center han hecho un

estudio con un panel de 410 genes en 10.000 pacientes. Han encontrado una gran

incidencia de mutaciones en el promotor de la telomerasa, y de fusiones de BRAF. Además, ya

están tratando a un 40% de los pacientes basándose en este estudio (diapositiva 36).

Ahora mismo está en marcha un gran ensayo clínico en Estados Unidos (NCI) que está

testando 30 fármacos con 30 marcadores, independientes del tipo de tumor, da igual que sea

mama, pulmón, colorectal, etc. Ya sabemos que hay muchos fármacos que funcionan si está

presente la mutación conductora independientemente del tipo tumoral (diapositiva 37).

La biopsia líquida consiste en monitorizar en sangre el ADN tumoral que se libera por

apoptosis. Si estamos dando, por ejemplo, un fármaco anti-EGFR, podemos ver si en la

sangre aparecen las mutaciones que van a dar resistencia a este fármaco. Esto evita tener

que hacer una biopsia, además de poder predecir una recaída con muchas más antelación

que con cualquier otra técnica. Se recomienda leer el artículo de la diapositiva 38.

En la iniciativa TRACERx de Gran Bretaña, que ya ha publicado los datos de los 100 primeros

pacientes, se ha podido ver que haciendo paneles ad hoc del tumor primario se puede

detectar la recaída 6-12 meses antes que con la técnica de rutina (imagen). Esto puede tener

un gran impacto en la supervivencia del paciente en cánceres como el de pulmón.

La iniciativa Grail es una spin off the Illumina, y en estos momentos está reclutando

pacientes para el ensayo clínico STRIVE. En este ensayo se utilizarán 120.000 mujeres sin

cáncer en su primera mamografía. Se pretende detectar antes el cáncer de mama con el

análisis del ADN circulante en sangre, que con la técnica estándar, que es la mamografía.

Vamos hacia un futuro en que gracias al NGS se encontrarán muchos marcadores, y en el

que la biopsia líquida va a tener un papel muy importante. Al final tendremos muchos tests

genéticos para cada paciente de cáncer.




En la diapositiva 40 se muestra el flujo del NGS en cáncer, desde la generación de datos hasta

la aplicación clínica. Tendrá que haber unos profesionales, que todavía no existen, que

interpreten los resultados antes de aplicarlos en clínica (punto 5).

DIAPOSITIVAS 33-40

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