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¿Por qué las mutaciones en genes involucrados en procesos generales como la reparación del ADN aumentan el riesgo de desarrollar tipos específicos de cáncer?

¿Por qué las mutaciones en genes involucrados en procesos generales como la reparación del ADN aumentan el riesgo de desarrollar tipos específicos de cáncer?



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Por ejemplo, la mutación en MHS2, que codifica una proteína involucrada en la reparación de los desajustes que ocurren durante la replicación del ADN, aumenta dramáticamente el riesgo de desarrollar cáncer de colon. (Hay muchos otros ejemplos, como el gen RB que codifica una proteína supresora de tumores y se correlaciona con el retinoblastoma, de ahí su nombre)

Mi pregunta es: ¿cómo un gen como MHS2 que participa en un mecanismo general de reparación del ADN aumenta el riesgo de un tipo específico de cáncer? ¿Por qué no aumenta el riesgo de desarrollar cáncer en otros tejidos también?


No puedo culpar a @WYSIWYG por mencionar el artículo de Vogelstein citado al proporcionar una respuesta. Señala lo que parece una gran explicación de por qué ciertos cánceres surgen en algunos tejidos pero no en otros. Sin embargo, para aquellos que miran de cerca, este documento tiene algunos errores graves en la derivación del modelo, y por una buena razón ha sido objeto de fuertes críticas en los últimos meses.

Vea esto para una refutación realmente importante: http://ameyer.me/science/2015/01/02/vogel.html

Desafortunadamente, el artículo proporciona una explicación elegantemente engañosa de, en parte, la antigua paradoja de por qué los cánceres surgen más fácilmente en algunos tejidos como los intestinos y de mecanismos aparentemente idénticos, pero no parecen surgir en otros tejidos. Mi ejemplo favorito, aunque @El Cid enumera algunos buenos, es la inactivación de mutaciones BRCA1 que normalmente desempeñan un papel en la reparación de roturas de ADN de doble hebra. Y, sin embargo, incluso cuando está mutado en la línea germinal, esto solo parece aumentar el riesgo de cáncer en el seno, y realmente solo en un género (mujeres).

Así que la respuesta sigue siendo bastante segura que el campo no comprende esta paradoja., y el citado artículo de Vogelstein fue una tragedia total de publicación. Ha habido una serie de críticas enviadas oficialmente al artículo y el laboratorio de Vogelstein ha estado tratando de defenderlo lo mejor que puede. Sin embargo, este es un gran ejemplo de cómo los laboratorios de renombre pueden publicar algo en Cell / Nature / Science.

Otra cosa a considerar y @El Cid señala un buen ejemplo, es que las mutaciones pRb (en una vía supresora de tumores muy central para todas las células) causan retinoblastoma y no, por ejemplo, cánceres intestinales o sanguíneos con mucha facilidad, y la retina no es muy rápida. dividiendo el tejido. Entonces, el artículo de Vogelstein no puede explicar esto.


Deberías echar un vistazo a este interesante artículo publicado a principios de este año en Science.

Existen dos mecanismos por los cuales las células pueden acumular mutaciones en el ADN:

  1. Errores de replicación
  2. Agentes fisicoquímicos externos como UV, carcinógenos, etc.

En el artículo mencionado anteriormente, los autores clasifican los cánceres en dos tipos:

  1. Que surgen predominantemente debido a agentes ambientales (tipo D)
  2. Que surgen principalmente debido a errores de replicación (tipo R)

Además, en el mismo artículo, los autores señalan que el riesgo de cáncer de por vida se correlaciona positivamente con el número de divisiones de células madre en el tejido asociado. El carcinoma colorrectal FAP presenta las características más altas con respecto al número de divisiones de células madre y, en consecuencia, al riesgo de por vida.

Dado que estas células se dividen más, es probable que acumulen más mutaciones y un proceso defectuoso de reparación del ADN empeorará la situación. No puedo encontrar una gran cantidad de estudios sobre el gen MHS2 y su conexión con diferentes tipos de cánceres, pero en general, la explicación anterior sería aplicable a la mayoría de los genes que están involucrados en la reparación del ADN.


NOTA: Como se mencionó en la otra respuesta, el artículo mencionado anteriormente ha recibido algunas críticas de la comunidad científica por hacer afirmaciones inverosímiles que aparentemente encajan tan bien con la teoría que parece bastante correcta. Sin embargo, el artículo no se retracta. Por lo tanto, es importante no creer completamente en esta hipótesis pero al mismo tiempo tenerla en cuenta considerándola como una posibilidad que necesita mayor verificación.


La importancia terapéutica de las firmas mutacionales de la deficiencia de reparación del ADN en el cáncer

El cáncer es fundamentalmente una enfermedad del genoma y las deficiencias hereditarias en las vías de reparación del ADN están bien establecidas para aumentar el riesgo de cáncer de por vida. El análisis computacional de los datos del pan-cáncer ha identificado firmas de procesos mutacionales que se cree que son responsables del patrón de mutaciones en cualquier cáncer dado. Estos análisis identificaron vías de reparación del ADN alteradas en un espectro de cánceres mucho más amplio de lo que se pensaba anteriormente, con importantes implicaciones terapéuticas. El desarrollo de biomarcadores de deficiencia de reparación del ADN es fundamental para la implementación de la orientación terapéutica de los tumores deficientes en reparación, utilizando agentes que dañan el ADN o inmunoterapia para la personalización de la terapia del cáncer.


Condiciones de salud relacionadas con cambios genéticos

Síndrome de deficiencia de reparación de desajustes constitucionales

Aproximadamente 10 mutaciones en el MSH2 gen se han asociado con una condición llamada síndrome de deficiencia de reparación de desajustes constitucionales (CMMRD). Las personas con esta afección tienen un mayor riesgo de desarrollar cánceres de colon (intestino grueso) y recto (denominados colectivamente como cáncer colorrectal), cerebro y sangre (leucemia o linfoma). Estos cánceres generalmente ocurren por primera vez en la infancia, y la gran mayoría de los cánceres en el síndrome de CMMRD se diagnostican en personas menores de 18 años. Muchas personas con síndrome de CMMRD también desarrollan cambios en la coloración de la piel (pigmentación), similares a los que ocurren en una afección llamada neurofibromatosis tipo 1.

Las personas con síndrome CMMRD heredan dos MSH2 mutaciones genéticas, una de cada padre, mientras que las personas con síndrome de Lynch (descrito a continuación) tienen una mutación en una copia del MSH2 gene.

MSH2 las mutaciones genéticas dan como resultado una pérdida cercana o completa de la producción de proteína MSH2. La escasez de esta proteína elimina la actividad de reparación de desajustes e impide la reparación adecuada de los errores de replicación del ADN. Estos errores se acumulan a medida que las células anormales continúan dividiéndose. Los errores interrumpen otros genes implicados en importantes procesos celulares, como el control del crecimiento y la división celular (proliferación). Si el crecimiento celular no se controla, puede provocar cáncer infantil en personas con síndrome CMMRD.

Se cree que las características de la neurofibromatosis tipo 1 en personas con síndrome de CMMRD se deben a cambios genéticos en el NF1 gen que resulta de la pérdida de reparación de desajustes. Estos cambios están presentes solo en ciertas células (mutaciones somáticas), mientras que NF1 Las mutaciones genéticas que están presentes en todas las células del cuerpo causan neurofibromatosis tipo 1.

Síndrome de Lynch

Aproximadamente el 20 por ciento de todos los casos de síndrome de Lynch con una mutación genética identificada están asociados con mutaciones hereditarias en el MSH2 gene. El síndrome de Lynch aumenta el riesgo de muchos tipos de cáncer, en particular el cáncer colorrectal. Las personas con síndrome de Lynch también tienen un mayor riesgo de cáncer de endometrio (revestimiento del útero), ovarios, estómago, intestino delgado, conductos de la vesícula biliar, tracto urinario superior y cerebro. A los 75 años, el riesgo de desarrollar uno de estos cánceres es del 80 por ciento para las mujeres y del 75 por ciento para los hombres con MSH2 mutación genética.

MSH2 Las mutaciones genéticas involucradas en el síndrome de Lynch pueden causar la producción de una proteína MSH2 anormalmente corta o inactiva o prevenir la producción de cualquier proteína a partir de una copia del gen. Una proteína alterada no puede realizar su función normal. Una disminución en la proteína funcional MSH2 conduce a un aumento de errores de ADN no reparados durante la división celular. Los errores se acumulan a medida que las células continúan dividiéndose, lo que aumenta el riesgo de formación de tumores en el colon o en otra parte del cuerpo.

Debido a que hay algo de proteína MSH2 funcional producida a partir de la copia normal del gen, la actividad de reparación de desajustes en el síndrome de Lynch se reduce pero no está ausente, como ocurre en el síndrome CMMRD (descrito anteriormente). Esta diferencia en los niveles de actividad de reparación del ADN probablemente explique por qué los cánceres en el síndrome de Lynch generalmente se desarrollan en la edad adulta, mientras que los del síndrome CMMRD a menudo afectan a los niños.

Algunas mutaciones en el MSH2 gen causa una variante del síndrome de Lynch llamada síndrome de Muir-Torre. Además del cáncer colorrectal, las personas con esta afección tienen un mayor riesgo de desarrollar varios tumores cutáneos poco comunes. Estos tumores cutáneos raros incluyen adenomas y carcinomas sebáceos, que se presentan en glándulas que producen una sustancia aceitosa llamada sebo (glándulas sebáceas). También pueden ocurrir múltiples tumores de crecimiento rápido llamados queratoacantomas, generalmente en áreas de piel expuestas al sol.

Cáncer de ovarios

Cambios heredados en el MSH2 gen aumenta el riesgo de desarrollar cáncer de ovario, así como otros tipos de cáncer, como parte del síndrome de Lynch (descrito anteriormente). Las mujeres con síndrome de Lynch tienen una probabilidad del 8 al 10 por ciento de desarrollar cáncer de ovario, en comparación con el 1,6 por ciento en la población general.


Genes y enfermedad de Alzheimer

Hay dos tipos de Alzheimer: de inicio temprano y de inicio tardío. Ambos tipos tienen un componente genético.

Enfermedad de Alzheimer de inicio tardío

La mayoría de las personas con Alzheimer tienen la forma de aparición tardía de la enfermedad, en la que los síntomas se hacen evidentes a mediados de los 60 años y más tarde.

Los investigadores no han encontrado un gen específico que cause directamente la enfermedad de Alzheimer de aparición tardía. Sin embargo, tener una variante genética de la apolipoproteína E (APOE) gen en el cromosoma 19 aumenta el riesgo de una persona. los APOE El gen interviene en la producción de una proteína que ayuda a transportar el colesterol y otros tipos de grasas en el torrente sanguíneo.

APOE viene en varias formas diferentes, o alelos. Cada persona hereda dos APOE alelos, uno de cada padre biológico.

  • La APOE ε2 es relativamente rara y puede proporcionar cierta protección contra la enfermedad. Si la enfermedad de Alzheimer ocurre en una persona con este alelo, generalmente se desarrolla más tarde en la vida que en alguien con el gen APOE ε4.
  • Se cree que APOE ε3, el alelo más común, juega un papel neutral en la enfermedad, ni disminuye ni aumenta el riesgo.
  • APOE ε4 aumenta el riesgo de enfermedad de Alzheimer y también se asocia con una edad más temprana de inicio de la enfermedad. Tener uno o dos alelos APOE ε4 aumenta el riesgo de desarrollar Alzheimer. Aproximadamente el 25 por ciento de las personas lleva una copia de APOE ɛ4, y del 2 al 3 por ciento lleva dos copias.

APOE ε4 se denomina gen factor de riesgo porque aumenta el riesgo de que una persona desarrolle la enfermedad. Sin embargo, heredar un alelo APOE ε4 no significa que una persona definitivamente desarrollará Alzheimer. Algunas personas con un alelo APOE ε4 nunca contraen la enfermedad y otras que desarrollan Alzheimer no tienen alelos APOE ε4.

Investigaciones recientes indican que las formas raras del alelo APOE pueden brindar protección contra la enfermedad de Alzheimer. Se necesitan más estudios para determinar cómo estas variaciones pueden retrasar la aparición de la enfermedad o reducir el riesgo de una persona.

Enfermedad de Alzheimer de inicio temprano

La enfermedad de Alzheimer de aparición temprana es poco común y representa menos del 10 por ciento de todas las personas con Alzheimer. Por lo general, ocurre entre los 30 y los 60 años de una persona. Algunos casos son causados ​​por un cambio hereditario en uno de tres genes.

Las tres mutaciones de un solo gen asociadas con la enfermedad de Alzheimer de inicio temprano son:

  • Proteína precursora de amiloide (APP) en el cromosoma 21
  • Presenilina 1 (PSEN1) en el cromosoma 14
  • Presenilina 2 (PSEN2) en el cromosoma 1

Las mutaciones en estos genes dan como resultado la producción de proteínas anormales asociadas con la enfermedad. Cada una de estas mutaciones juega un papel en la descomposición de APP, una proteína cuya función precisa aún no se comprende completamente. Esta degradación es parte de un proceso que genera formas dañinas de placas amiloides, un sello distintivo de la enfermedad de Alzheimer.

Un niño cuya madre o padre biológico porta una mutación genética de uno de estos tres genes tiene una probabilidad del 50/50 de heredar esa mutación. Si la mutación se hereda de hecho, el niño tiene una probabilidad muy alta de desarrollar la enfermedad de Alzheimer de inicio temprano.

Para otros casos de Alzheimer de inicio temprano, la investigación ha demostrado que están involucrados otros componentes genéticos. Se están realizando estudios para identificar variantes de riesgo genético adicionales.

Tener síndrome de Down aumenta el riesgo de desarrollar la enfermedad de Alzheimer de inicio temprano. Muchas personas con síndrome de Down desarrollan Alzheimer a medida que envejecen, y los síntomas aparecen entre los 50 y 60 años. Los investigadores creen que esto se debe a que las personas con síndrome de Down nacen con una copia adicional del cromosoma 21, que porta el gen APP.


Condiciones de salud relacionadas con cambios genéticos

Síndrome de deficiencia de reparación de desajustes constitucionales

Aproximadamente 10 mutaciones en el MLH1 gen se han asociado con una condición llamada síndrome de deficiencia de reparación de desajustes constitucionales (CMMRD). Las personas con esta afección tienen un mayor riesgo de desarrollar cánceres de colon (intestino grueso) y recto (denominados colectivamente como cáncer colorrectal), cerebro y sangre (leucemia o linfoma). Estos cánceres generalmente ocurren por primera vez en la infancia, y la gran mayoría de los cánceres en el síndrome de CMMRD se diagnostican en personas menores de 18 años. Muchas personas con síndrome de CMMRD también desarrollan cambios en la coloración de la piel (pigmentación), similares a los que ocurren en una afección llamada neurofibromatosis tipo 1.

Las personas con síndrome CMMRD heredan dos MLH1 mutaciones genéticas, una de cada padre, mientras que las personas con síndrome de Lynch (descrito a continuación) tienen una mutación en una copia del MLH1 gene.

MLH1 las mutaciones genéticas dan como resultado una pérdida cercana o completa de la producción de proteína MLH1. La escasez de esta proteína elimina la actividad de reparación de desajustes e impide la reparación adecuada de los errores de replicación del ADN. Estos errores se acumulan a medida que las células anormales continúan dividiéndose. Los errores interrumpen otros genes implicados en importantes procesos celulares, como el control del crecimiento y la división celular (proliferación). Si el crecimiento celular no se controla, puede provocar cáncer infantil en personas con síndrome CMMRD.

Se cree que las características de la neurofibromatosis tipo 1 en personas con síndrome de CMMRD se deben a cambios genéticos en el NF1 gen que resulta de la pérdida de reparación de desajustes. Estos cambios están presentes solo en ciertas células (mutaciones somáticas), mientras que NF1 las mutaciones genéticas que están presentes en todas las células del cuerpo causan neurofibromatosis tipo 1.

Síndrome de Lynch

Alrededor del 40 por ciento de todos los casos de síndrome de Lynch con una mutación genética identificada están asociados con mutaciones hereditarias en el MLH1 gene. Varios cientos MLH1 Se han encontrado mutaciones genéticas en personas con esta afección. El síndrome de Lynch aumenta el riesgo de muchos tipos de cáncer, en particular el cáncer colorrectal. Las personas con síndrome de Lynch también tienen un mayor riesgo de cáncer de endometrio (revestimiento del útero), ovarios, estómago, intestino delgado, conductos de la vesícula biliar, tracto urinario superior y cerebro. A los 75 años, el riesgo de desarrollar uno de estos cánceres es del 80 por ciento para las mujeres y del 70 por ciento para los hombres con MLH1 mutación genética.

MLH1 Las mutaciones genéticas involucradas en esta afección impiden la producción de la proteína MLH1 a partir de una copia del gen o dan lugar a una versión alterada de esta proteína que no funciona correctamente. Una disminución en la proteína MLH1 funcional conduce a un aumento de errores de ADN no reparados durante la división celular. Los errores se acumulan a medida que las células continúan dividiéndose, lo que puede hacer que las células funcionen de manera anormal, aumentando el riesgo de formación de tumores en el colon o en otra parte del cuerpo.

Debido a que hay algo de proteína MLH1 funcional producida a partir de la copia normal del gen, la actividad de reparación de desajustes en el síndrome de Lynch se reduce pero no está ausente, como ocurre en el síndrome CMMRD (descrito anteriormente). Esta diferencia en los niveles de actividad de reparación del ADN probablemente explique por qué los cánceres en el síndrome de Lynch generalmente se desarrollan en la edad adulta, mientras que los del síndrome CMMRD a menudo afectan a los niños.

Algunas mutaciones en el MLH1 gen causa una variante del síndrome de Lynch llamada síndrome de Muir-Torre. Además del cáncer colorrectal, las personas con esta afección tienen un mayor riesgo de desarrollar varios tumores cutáneos poco comunes. Estos tumores cutáneos raros incluyen adenomas y carcinomas sebáceos, que se presentan en glándulas que producen una sustancia aceitosa llamada sebo (glándulas sebáceas). También pueden ocurrir múltiples tumores de crecimiento rápido llamados queratoacantomas, generalmente en áreas de piel expuestas al sol.

Cáncer de ovarios

Cambios heredados en el MLH1 gen aumenta el riesgo de desarrollar cáncer de ovario, así como otros tipos de cáncer, como parte del síndrome de Lynch (descrito anteriormente). Las mujeres con síndrome de Lynch tienen una probabilidad del 8 al 10 por ciento de desarrollar cáncer de ovario, en comparación con el 1,6 por ciento en la población general.


Mutaciones heredadas

Primero, veamos las mutaciones heredadas. Recuerde que tenemos dos copias de cada gen: una copia la heredamos de nuestra madre y la otra la heredamos de nuestro padre. La mayoría de las personas con un síndrome de cáncer hereditario heredan una copia mutante (digamos de papá) y una copia normal (digamos de mamá) de un gen asociado al cáncer. A medida que estas personas con un síndrome de cáncer hereditario envejecen, algunas de ellas sufrirán daños en la copia buena del gen (la copia que obtuvieron de la madre) en una célula del páncreas. Esa célula tendrá dos copias dañadas del gen (una heredada y otra adquirida durante la vida) y, como resultado, esa célula en el páncreas comenzará a crecer de manera anormal y eventualmente formará un cáncer.

No todas las personas con una predisposición hereditaria desarrollarán cáncer. Más bien, dado que las personas con un síndrome de cáncer hereditario nacen con solo una buena copia del gen asociado al cáncer, son más como contraer cáncer.


Fondo

El cáncer de hígado (LC) es uno de los cánceres más mortales en todo el mundo. Se estimó alrededor de 841.080 casos nuevos y 781.631 muertes por cáncer de hígado en todo el mundo en 2020, según la Sociedad Estadounidense del Cáncer [1]. Además, las tasas de incidencia y mortalidad son de 2 a 3 veces más altas entre los hombres que entre las mujeres en la mayoría de las regiones del mundo, según las estadísticas mundiales de cáncer de 2018 en 185 países [1]. A nivel mundial, la incidencia y la mortalidad del cáncer de hígado en los países en desarrollo es más alta que en los países desarrollados [2]. El efecto terapéutico del cáncer de hígado depende en gran medida del intervalo de tiempo entre el diagnóstico y el tratamiento, especialmente para los pacientes con cáncer de hígado en estadio temprano [3]. Algunos métodos de tratamiento mejorados, como el trasplante de hígado, la hepatectomía y la terapia de radiofrecuencia temprana, tienen valor terapéutico para los pacientes con cáncer de hígado en una etapa temprana [4].Sin embargo, aproximadamente más del 70% de los pacientes con cáncer de hígado se diagnostican en una etapa avanzada, lo que limita la aplicación de las terapias convencionales [5].

La inestabilidad genómica es una característica importante del cáncer y facilita la transformación del cáncer [6]. Se han demostrado algunos marcadores circulantes que pueden predecir la respuesta a la terapia y la supervivencia de los pacientes con cáncer. Como se informó, miR423-5p se puede utilizar como una herramienta útil para predecir la respuesta al sorafenib en pacientes con CHC [7]. Además, M Caraglia et al. demostraron que el estado de estrés oxidativo y la actividad de pERK en las células mononucleares de sangre periférica tenían un valor elevado en la predicción de la respuesta al tratamiento con sorafenib + octreotida en pacientes con CHC [8]. Por lo tanto, comprender las alteraciones genéticas y epigenéticas, que son importantes para la hepatocarcinogénesis, es un problema urgente que debe resolverse para proporcionar nuevas dianas terapéuticas para el CHC [9]. Estudios epidemiológicos recientes han informado que dos tercios de los cánceres son causados ​​por errores en la replicación del ADN [10]. Recientemente, un análisis retrospectivo de múltiples cohortes reveló que 138 genes de reparación del ADN tenían importancia pronóstica en 16 tipos de cáncer [11]. La capacidad de reparación del ADN tiene una correlación significativa con la invasión linfática en pacientes con cáncer colorrectal [12], y la reparación del ADN promueve la resistencia a fármacos en el cáncer de ovario mediante diferentes conjuntos de genes distintivos [13]. Por lo tanto, la reparación del ADN actúa como un papel esencial en el mantenimiento de la estabilidad del genoma y el desarrollo del cáncer. La desregulación de las moléculas asociadas a la reparación del ADN podría mejorar la resistencia de las células cancerosas a la quimioterapia. Los genes y las proteínas relacionados con la reparación del ADN se han convertido en dianas terapéuticas en el cáncer de próstata y el cáncer de ovario [14, 15]. Para el estudio reciente, se han informado muchos conjuntos de genes como guía para optimizar el tratamiento y desempeñan un papel importante como biomarcador en varios cánceres [16,17,18,19,20]. Las firmas de pronóstico de múltiples genes del tejido tumoral de los pacientes pueden predecir el pronóstico de los pacientes con cáncer con mayor precisión que un solo gen. Especialmente, las firmas de pronóstico multigénico de ARN mensajero (ARNm) podrían proporcionar una mayor precisión en el pronóstico del cáncer que los genes de pronóstico no codificantes, que permiten un tratamiento mejor individualizado y un tratamiento más eficaz [21, 22]. Además, identificar los ARNm y los conjuntos de genes distintivos se convierte en un requisito previo para la aplicación clínica y el progreso del tratamiento en el cáncer. Sin embargo, hay una falta de investigación sobre el pronóstico del cáncer de hígado con marcadores combinados de ARNm. Por lo tanto, sigue siendo un problema urgente encontrar conjuntos de genes de biomarcadores de ARNm más eficientes y sensibles para el cáncer de hígado.

En este estudio, se utilizó el análisis de enriquecimiento de conjuntos de genes (GSEA) para identificar genes que son más valiosos para la terapia del cáncer de hígado y se procedió a un análisis adicional. Finalmente, se seleccionaron 141 ARNm relacionados con la reparación del ADN y se estableció un conjunto de siete genes que puede predecir con precisión el pronóstico de los pacientes con cáncer de hígado.


Fondo

El pronóstico del cáncer colorrectal depende del estadio del tumor en el momento del diagnóstico, siendo la cirugía el tratamiento más eficaz. Los cánceres colorrectales se desarrollan a través de una serie de etapas histológicas distintas, desde "adenoma hasta carcinoma" [1]. Recientemente, el modelo de varios pasos del desarrollo del cáncer de colon de Fearon y Vogelstein [2] se revisó y presentó con mayor detalle para incluir la interdependencia de diferentes vías y la participación de muchas más mutaciones genéticas que antes [3, 4]. Los genes que están mutados en diferentes etapas del desarrollo del cáncer colorrectal incluyen genes supresores de tumores, protooncogenes, genes de reparación del ADN, factores de crecimiento y sus genes receptores, genes de puntos de control del ciclo celular y genes relacionados con la apoptosis (Fig. 1). En contraste con las predicciones de la acumulación de mutaciones secuenciales de genes (Fig. 1), un estudio reciente presentó una visión bastante diferente en la que el espectro de mutaciones de genes en una gran cohorte de pacientes con cáncer de colon era correlativo a sólo el 6,6% [5]. El patrón heterogéneo de mutaciones tumorales encontrado en este estudio sugiere que existen múltiples vías genéticas alternativas al cáncer colorrectal y que el modelo genético ampliamente aceptado del desarrollo del cáncer no es representativo de la mayoría de los tumores colorrectales. Sin embargo, se cree que las mutaciones en uno de estos genes preparan el escenario para el inicio y la transformación de las células epiteliales normales del colon. La acumulación adicional de mutaciones en otros genes contribuye a la progresión del cáncer a través de las etapas de adenoma - carcinoma - metástasis. Durante la acumulación de cambios genéticos, se establece una red de señalización compleja entre las vías celulares inactivadas y activadas. Muchas células que portan vías de señalización defectuosas pueden pasar por muerte celular programada o apoptosis y pueden ser eliminadas de la población normal de células; sin embargo, una de las células diana puede pasar por el proceso de selección y sobrevivir entre otras células anulando los puntos de control del ciclo celular y anulando la apoptosis. caminos. Después de la expansión clonal, la célula única modificada genéticamente puede convertirse en un tumor completamente desarrollado.

Modelo de alteraciones genéticas en el desarrollo de cáncer colorrectal. Según el análisis genético, se caracterizan en detalle al menos dos vías que conducen al desarrollo del cáncer de colon. Una vía (indicada con flechas rojas) se inicia con mutaciones en la poliposis adenomatosa (APC) inestabilidad genética y cromosómica (CIN) seguida de mutaciones en K-ras, eliminado en el cáncer colorrectal (DCC) y p53 genes. La segunda vía (indicada con flechas azules) se inicia por las mutaciones en los genes de reparación de errores de apareamiento (MMR) y la inestabilidad de microsatélites (MSI) seguidas de mutaciones en hMSH3, hMSH6, TGFβIIR, IGFIIR, PTEN, BLM, Tcf-4, Bax y E2F4 genes. Otras vías están menos caracterizadas, pero se espera un alto grado de superposición entre ellas. Se necesitan al menos siete mutaciones genéticas para convertir una célula epitelial normal en carcinoma. Sin embargo, un grupo de aberraciones genéticas y cromosómicas como p15, p16, Bub1, ciclina D1, tPa, CEA, Nm23, MMP, E-cadherina (CDH1), CD44, 7q, 14q, 22q y 8p se observan en carcinoma y tumores metastásicos. ASEF, factor de intercambio de nucleótidos de guanina estimulado por APC DLG, Drosophila discos grandes EB1, proteína de unión al extremo 1, KAP3A, proteína 3A MCR asociada a la superfamilia de quinesina, región del grupo mutador NES, señal de exportación nuclear NLS, señal de localización nuclear PP2-B56α, subunidad de proteína fosfatos 2A B56α. Esta figura está adaptada de la referencia [7].

Muchos síndromes de cáncer de colon se han caracterizado por sus cambios fenotípicos, histológicos y genéticos. Entre ellos, los síndromes de cáncer de colon más comunes y altamente estudiados son la poliposis adenomatosa familiar (FAP) y los cánceres colorrectales hereditarios sin poliposis (HNPCC), que son causados ​​por mutaciones en la poliposis adenomatosa coli (APC) y genes de reparación de errores de apareamiento (MMR), respectivamente. Otros síndromes de cáncer de colon incluyen el síndrome de Peutz-Jeghers (PJS), el síndrome de poliposis juvenil (JPS), el síndrome de poliposis mixta hereditaria (MHAP) y el síndrome de Cowden. Estos síndromes contienen pólipos hamartomatosos y se heredan de forma autosómica dominante. Mutaciones en la serina-treonina quinasa II (STKII) gen, Sma y proteína relacionada con Mad 4 / Suprimida en el carcinoma de páncreas 4 (Smad4 / DPC4), y el homólogo de fosfatasa y tensina eliminado en el cromosoma diez (PTEN) están relacionados con los síndromes PJS, JPS y Cowden, respectivamente. Los síndromes hereditarios representan solo el 3-5% de todos los cánceres de colon, y el resto son cánceres de colon somáticos en los que ambos alelos de los genes supresores de tumores se inactivan somáticamente.

Poliposis coli adenomatosa (APC) Las mutaciones genéticas son los eventos más tempranos en el desarrollo del cáncer colorrectal de varios pasos.

Mutaciones en el APC Los genes en el locus del cromosoma 5q21 se consideran uno de los primeros eventos en el inicio y progresión del cáncer colorrectal. En pacientes con PAF, la mutación alélica del APC gen seguido de una pérdida de heterocigosidad (LOH) es una característica común. En particular, las mutaciones en el APC Los genes también se encuentran en 60 a 80% de los cánceres y adenomas colorrectales esporádicos. Pacientes con PAF con APC las mutaciones son propensas a cientos o miles de adenomas colorrectales y carcinoma de aparición temprana. Los pacientes con PAF también son propensos a desarrollar adenomas (y carcinomas) del intestino delgado, desmoides intraabdominales y tumores de osteomas (síndrome de Gardner), hipertrofia congénita del epitelio pigmentario de la retina (CHRPE), pólipos de glándulas fúndicas en el estómago, páncreas y tiroides, anomalías dentales, y quistes epidérmicos [6, 7]. Mutaciones en APC también se asocian con tumores cerebrales malignos conocidos como síndrome de Turcot [8]. los APC el locus en el cromosoma 5q21 muestra pérdida de heterocigosidad (LOH) en aproximadamente el 25% de los cánceres de mama [9]. Aproximadamente el 18% de los cánceres de mama somáticos llevan APC mutaciones genéticas [10]. Además, LOH en el APC El locus genético se observa con frecuencia en las primeras etapas de los cánceres de pulmón de células no pequeñas [11]. En un modelo animal para tumores pulmonares inducidos por carcinógenos, una disminución en APC expresión génica, en lugar de un aumento en APC mutaciones, se ha demostrado que está asociado con la tumorigénesis [12]. Los diversos efectos de las mutaciones en APC El gen indica que esta molécula juega un papel clave en la regulación del crecimiento celular en varios tejidos colónicos y extracolónicos. Se ha sugerido que la sobreexpresión de APC provoca un G1/ Punto de control de la fase S en células NIH-3T3 tratadas con suero vía componentes de la vía pRB [13]. Un papel para APC en el G2También se espera una transición de fase / M, dado que la APC está hiperfosforilada durante la fase M y es un objetivo de la quinasa de fase M p34Cdc2 [14, 15]. En un estudio reciente, un papel directo de APC en S y G2 La detención de fase del ciclo celular se ha descrito en líneas celulares queratinocitos epidérmicos de ratón inmortalizados, epitelio renal canino inmortalizado, carcinoma de células escamosas de ratón y papiloma cutáneo y carcimona de colon humano [16].

APC se expresa constitutivamente dentro del epitelio colónico normal. los APC El producto génico es una proteína de 310 kDa localizada tanto en el citoplasma como en el núcleo. Recientemente, se ha demostrado que el APC El gen es inducible, que es regulado positivamente transcripcionalmente por p53 en respuesta al daño del ADN [17-19]. p53 es un regulador negativo del crecimiento y la división celular normales. Aunque mutaciones en el p53 gen también está ampliamente presente en los cánceres colorrectales, su consecuencia en la expresión del tipo salvaje o mutante APC el gen no está claro [2]. En un estudio anterior, en el APC Min/ + (Min, neoplasia intestinal múltiple) modelo de ratones, una mayor multiplicidad e invasividad de los adenomas intestinales se asoció con la deficiencia de p53 [20]. Además, la aparición de fibromas desmoides en estos ratones fue fuertemente mejorada por p53 deficiencia. La estructura de la proteína APC con diferentes dominios de interacción de proteínas se muestra en la Figura 2. En el sitio N-terminal, la proteína APC contiene dominios de unión de oligomerización y repetición de armadillo y en el sitio C-terminal hay EB1 y proteína supresora de tumores DLG dominios de unión. La proteína APC también contiene tres regiones de repetición de 15 aminoácidos y siete de 20 aminoácidos en las que esta última participa en la regulación negativa de los niveles de proteína β-catenina en las células (Fig. 2). La primera repetición de 20 aminoácidos en el APC El gen se encuentra en el extremo 5 'de la región del grupo de mutaciones (MCR). Se ha demostrado una asociación entre el fenotipo de poliposis grave y las mutaciones de la línea germinal en el MCR [21-24]. La presión selectiva para un mutante MCR se ha propuesto basándose en la mutación de la línea germinal en FAP [25]. Los pacientes con mutaciones fuera de la región MCR tienen un fenotipo más leve. Un estudio reciente ha demostrado que los animales con mutaciones truncadas homocigotas en el codón 1638 de APC no desarrolló tumores y sobrevivió hasta la edad adulta [26].

Características estructurales de la proteína APC. La mayoría de las mutaciones en APC ocurren en la región del grupo de mutantes (MCR) y crean proteínas truncadas. Las proteínas truncadas contienen ASEF y sitios de unión de β-catenina en el dominio de repetición de armadillo, pero pierden la actividad reguladora de β-catenina que se encuentra en el dominio de repetición de 20 aminoácidos. Las mutaciones somáticas se seleccionan con mayor frecuencia en pacientes con PAF con mutaciones de la línea germinal fuera de la MCR.

Recientemente se ha informado que APC funciona como una proteína de transporte citoplásmico nuclear y como un acompañante de β-catenina [27-31]. Hay al menos cinco señales de exportación nuclear APC (NES). Entre ellos, dos son NES de tipo Rev ubicados en la región N-terminal y los otros tres están ubicados en la región de repetición de 20 aminoácidos del motivo de unión de β-catenina [29, 32]. La exportación nuclear de APC está mediada por la vía del receptor CRM1 / Exportin [28-30, 33]. La proteína APC tiene dos señales de localización nuclear, NLS1 (1767–1772 aminoácidos GKKKKP) y NLS2 (2048–2053 aminoácidos PKKKKP). La localización nuclear de APC se controla mediante la modificación postraduccional de los residuos de NLS por la proteína quinasa 2 y / o la proteína quinasa A [32-34].

APC regula los niveles de β-catenina a través de la señalización de Wnt

La APC puede actuar como un regulador negativo de la señalización de la β-catenina en la transformación de las células epiteliales del colon y en la progresión del melanoma [35-37]. El papel de la vía de señalización Wingless / Wnt se ha descrito en Drosophila, Xenopusy en vertebrados. Esta vía es importante en el desarrollo de órganos, la proliferación celular, la morfología, la motilidad y el destino de las células embrionarias [38-40]. En un modelo simple que se muestra en la Figura 3, la señalización Wingless / Wnt regula el ensamblaje de un complejo que consta de: axina (y sus homólogos Axinl y conductina), APC, β-catenina y glucógeno sintasa-3β quinasa (GSK3β). La axina (Axil / conductina) se une para formar un complejo con APC, β-catenina y GSK3β para promover la fosforilación de β-catenina y la posterior unión con slim (β-TrCP) que media su ubiquitinación y degradación en el proteasoma [41, 42] . GSK3β regula este proceso mediante la fosforilación de β-catenina, APC y complejo de axina (Axil / conductina) [43-45]. La activación de la vía de señalización Wingless / Wnt inhibe GSK3β y estabiliza la β-catenina [46, 47]. Las mutaciones de la β-catenina o el truncamiento de las APC, que se producen tanto en el cáncer de colon como en las células del melanoma, aumentan la estabilidad y la actividad transcripcional de la β-catenina [37, 48]. El grupo estabilizado de β-catenina se asocia con miembros de la familia de factores de transcripción del factor de células T (Tcf) -factor potenciador de linfoides (Lef). Hay cuatro miembros conocidos de la familia Tcf y Lef en mamíferos, uno de los cuales, el humano Tcf4 gen, se expresa específicamente en células de cáncer de colon [35]. El complejo β-catenina / Tcf4 regula el protooncogén y el regulador del ciclo celular. c-myc [48], el G1/ S-regulador ciclina D1 [49], el gen que codifica la metaloproteinasa que degrada la matriz, matrysin [50], los factores de transcripción AP-1 c-jun y fra-1 y el gen del receptor del activador del plasminógeno de tipo uroquinasa [51]. A partir de esta discusión, queda claro que la inactivación de APC provoca la activación de la β-catenina, lo que da como resultado la activación constitutiva de los genes de respuesta Tcf / Lef.

Un modelo para la vía de señalización Wnt. Panel A describe la regulación a la baja de la actividad de transactivación de β-catenina en células epiteliales normales del colon. La β-catenina permanece en un complejo de Axina / Axil / conductina, APC, GSK3β quinasa y caseína quinasa 1 o 2 (CK1 o 2). En ausencia de señalización de Wnt, las quinasas GSK3β y CK1 o 2 se vuelven activas y fosforilan la β-catenina en los residuos de serina y treonina en el dominio N-terminal. Axin y APC promueven la fosforilación de β-catenina actuando como una proteína andamiaje y uniendo enzima (s) y sustrato (s). La β-catenina fosforilada se une luego a la proteína F-box β-TrCP del complejo Skp1-Cullin-F-box (SCF) de ubiquitina ligasas y sufre degradación proteasomal. Aunque el factor de transcripción Tcf-Lef sin β-catenina puede unirse al ADN en ausencia de β-catenina, los represores y correpresores como CtBP (proteína de unión carboxi-terminal), CBP (proteína de unión a CREB), Gro (Groucho) , LRP (proteína relacionada con el receptor de LDL) se une con Tcf-Lef y reprime c-myc o ciclina D1 expresión génica para controlar la progresión del ciclo celular. Aquí se dan algunos otros genes conocidos que están regulados por la vía de la β-catenina / Tcf-Lef: ciclina D1, CDH1, Tcf-1, c-jun, Fra-1, PPARd, Gastrin, uPAR, MMP7, Conductin, CD44, Id2, Siamois, Xbra, Twin y Ubx. Panel B muestra el papel de las mutaciones en la proteína APC o β-catenina en la regulación del nivel de β-catenina y su propiedad de transactivación en células de cáncer de colon. La β-catenina mutante escapa a su degradación a través de la vía Wnt y se estabiliza en el citoplasma. El nivel estabilizado de β-catenina luego se heterodimeriza con el factor de transcripción Tcf-Lef y se localiza en el núcleo, donde transcribe activamente genes relacionados con el ciclo celular que provocan la proliferación celular. La unión de β-catenina con Tcf-Lef inhibe la unión de CtBP, CBP, Gro o LRP y potencia su actividad transcripcional.

En muchos casos, se ha observado que los tumores de colon portadores de mutaciones en el APC El gen también portaba niveles elevados de c-Myc, un factor conocido de proliferación celular. Recientemente, se ha establecido un vínculo directo entre APC mutación genética, activación de β-catenina y c-myc regulación por aumento de genes en el desarrollo del cáncer de colon. El aumento de la expresión de c-Myc a través de la vía de señalización de Wnt regula al alza la expresión de Cdk4 gen, cuyo producto es responsable de la regulación del ciclo celular en G1 fase [52]. los c-myc gen codifica un factor de transcripción de la familia de cremalleras de leucina helix-loop-helix que se une como un heterodímero con cajas Max to E (CACGTG) en los promotores diana, por ejemplo Cdk4 gen, y activa su expresión. Max también puede interactuar con Mad y Mxi1 y regular negativamente la expresión del gen objetivo de c-Myc. Se ha sugerido que los niveles elevados de proteína Cdk4 pueden fosforilar pRB. El factor de transcripción E2F / DP luego se disocia del pRB hiperfosforilado, que transcribe activamente genes involucrados en la progresión del ciclo celular a través de G1 fase. También se sugiere que los niveles elevados de Cdk4 pueden secuestrar el inhibidor de la quinasa del ciclo celular p21, p27 y p16. Este secuestro puede explicar la capacidad de la sobreexpresión de c-Myc para sustituir la deficiencia de p16, como se observa en la transformación de fibroblastos de ratón [53]. Estos estudios establecen así un vínculo entre APC mutación genética, estabilización de β-catenina, c-myc activación genética y vía Cdk4 / ciclina D1 / pRB / p16 en el desarrollo del cáncer colorrectal.

APC participa en la integridad del citoesqueleto de actina, la adhesión célula a célula y la migración celular

La integridad del citoesqueleto de la actina es necesaria para mantener la forma y las uniones de adherencia de las células. El desequilibrio en la integridad del citoesqueleto de la actina puede causar alteraciones en la adhesión y migración celular. El papel de APC en el mantenimiento del citoesqueleto de actina se predice a través de su interacción con β-catenina. La β-catenina establece un vínculo entre la APC y la actina al proporcionar un puente a la α-catenina [53]. En Drosophila, se ha demostrado que las mutaciones en E-APC afectan la organización de las uniones de adherencia [54-56]. Otro vínculo de APC con actina se muestra a través de su interacción con el dominio PDZ de la proteína DLG. Dado que APC se co-localiza con DLG en el citoplasma de las células epiteliales de colon de rata, el complejo APC-DLG puede participar en la regulación de la progresión del ciclo celular [57]. Las APC mutantes que carecen del motivo S / TXV para la unión de DLG exhiben una actividad de bloqueo del ciclo celular más débil en la fase Go / G1 que las APC intactas [58].

La interacción de APC con β-catenina ya través de la interacción de β-catenina con los miembros de la familia de proteínas cadherinas se ha implicado en la adhesión célula-célula [24, 59]. Como se muestra en la Figura 4, el dominio C-terminal de E-cadherina interactúa con β- y γ-catenina, que se asocian con α-catenina y forman un complejo de E-cadherina con el citoesqueleto de actina. Este complejo mantiene la adhesión célula-célula estable [59]. APC se convierte en parte del complejo de adhesión célula-célula unido con E-cadherina, ya que se une directamente con β-catenina, γ-catenina y filamento de actina [24, 60]. La fosforilación de tirosina de la β-catenina por el factor de crecimiento epidérmico (EGF), el factor de crecimiento de los hepatocitos (HGF) y los receptores c-Met es importante para modular los complejos cadherina-catenina desde la forma unida a la membrana hasta la forma citosólica libre [61]. La fosforilación de la β-catenina en el residuo de tirosina, que está bloqueado por la tirosina fosfatasa Pez, está implicada en la migración de las células epiteliales [62]. Si la vía Wnt y la vía de los receptores EGFR o c-Met se activan al mismo tiempo, entonces la degradación de la β-catenina puede inhibirse y puede translocarse al núcleo, unirse al factor de transcripción Lef-Tcf y descender. -regular la transcripción del gen E-cadherina, CDH1, expresión [63]. Estas complejas interacciones pueden finalmente dar como resultado la reducción de la adhesión y la proliferación de células mediada por E-cadherina [64-66].

Mutaciones en APC Los genes afectan la integridad del citoesqueleto de la actina, la adhesión célula a célula y las propiedades de migración celular de las células de cáncer de colon. Panel A muestra la organización de la adhesión célula-célula y las proteínas citoesqueléticas en las células epiteliales normales del colon. los APC Se muestra que el producto génico se une a través de su dominio de repetición de armadillo a ASEF. APC endógena co-localiza con ASEF en células epiteliales colónicas. APC regula la actividad del factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF) de ASEF y mantiene la red citoesquelética de actina, la adhesión célula-célula y la migración celular. Panel B muestra cómo las mutaciones en el APC El producto génico puede afectar la red citoesquelética de actina, la adhesión célula-célula y las propiedades de migración celular de las células de cáncer de colon. Mutaciones en APC El producto génico interrumpe la unión con actina y β-catenina, por lo que afecta la red citoesquelética de actina y la adhesión célula-célula, respectivamente. ASEF se une con la mayoría de las proteínas mutantes APC que contienen sitios de repetición de armadillo, estimula su propia actividad GEF y promueve la migración celular.

Otro papel importante para APC se asigna en la migración celular. Las células epiteliales del colon, derivadas de una célula madre comprometida, se dividen en los dos tercios inferiores de las criptas y migran rápidamente a la superficie para formar una sola capa. Durante la migración, se diferencian en células absorbentes, secretoras, paneth y endocrinas. La función de una APC de tipo salvaje es necesaria para mantener la dirección del movimiento ascendente de estas células a lo largo del eje cripta-vellosidad. La pérdida de las funciones de APC de tipo salvaje debido a la pérdida de expresión o mutaciones afecta la migración celular. Estas células, en lugar de migrar hacia arriba, hacia la luz intestinal, migran de manera aberrante o menos eficiente hacia la base de la cripta, donde se acumulan y forman pólipos [67]. A su debido tiempo, estas células se vuelven aneuploides debido a defectos en la segregación cromosómica, además de adquirir estabilización de β-catenina y activación de genes para la proliferación celular. Los mecanismos por los que las APC podrían estar implicadas en la migración celular pueden entenderse por su asociación con la proteína KAP3 asociada a la superfamilia de quinesina que se ha establecido en la adhesión y migración célula-célula. Se ha demostrado que la APC, mediada por KAP3, interactúa con las proteínas motoras de la kinesina que la transportan, así como con la β-catenina a lo largo de los microtúbulos hasta los extremos en crecimiento del citoesqueleto que sobresale en las membranas celulares móviles [68, 69]. En la punta del microtúbulo, APC interactúa con la proteína de unión al extremo EB1 y la proteína tirosina fosfatasa PTP-BL. PTP-BL modula los niveles en estado estacionario de fosforilaciones de tirosina de proteínas asociadas a APC tales como β-catenina y GSK3β. De hecho, la actividad de la quinasa GSK3β se ha implicado en la dinámica de los microtúbulos [70, 71].

Recientemente, se presentó evidencia experimental que describe los mecanismos por los cuales la APC mutada podría desempeñar un papel en la migración de las células tumorales colorrectales [72, 73]. En estos estudios, se ha demostrado una interacción de APC con factor de intercambio de nucleótidos de guanina estimulado por APC (ASEF) que puede regular la red citoesquelética de actina [72]. APC se une a ASEF y controla su actividad. ASEF se activa en células de cáncer colorrectal que contienen APC truncada. El ASEF activo disminuye la adhesión célula-célula mediada por cadherina E y promueve la migración celular. Por lo tanto, la asociación dinámica de APC, EB1, ASEF, cateninas, EGFR o receptor c-Met, proteínas PTP-BL y E-cadherina en las uniones de adherencia célula-célula y los extremos de los microtúbulos juegan un papel importante en la comunicación célula-célula, la migración celular. y carcinogénesis.

Inestabilidad genética en la progresión del cáncer de colon

Tanto los cánceres colorrectales esporádicos como hereditarios exhiben un conjunto definido de heterogeneidad celular biológica y genética a través de una serie de eventos moleculares. Se han identificado dos vías genéticas específicas patológicamente distintas para el cáncer colorrectal: la vía de inestabilidad cromosómica (CIN) y la vía de inestabilidad de microsatélites (MSI). La CIN y la MSI se asocian con dos síndromes hereditarios principales, la poliposis adenomatosa familiar (FAP) y el cáncer colorrectal hereditario sin poliposis (HNPCC), respectivamente. El MSI conduce a un aumento de 1000 veces en la tasa de cambios sutiles del ADN, mientras que la CIN mejora la tasa a la que ocurren los cambios cromosómicos durante la división celular, como roturas, duplicaciones, reordenamientos y deleciones cromosómicas. Los últimos hallazgos que describen estas dos vías se analizan a continuación.

Mutaciones en APC El gen está asociado con la inestabilidad cromosómica (CIN).

Se propone que la aneuploidía, el número anormal de cromosomas tanto cuantitativa como cualitativamente, es una característica común de las células de cáncer de colon. Se cree que la aneuploidía en las células de cáncer de colon surge durante la mitosis a través de una división celular defectuosa que conduce a CIN. La NIC es una característica común de aproximadamente el 85% de los cánceres colorrectales y se ha detectado en el adenoma más pequeño, lo que sugiere que la NIC puede ocurrir en etapas muy tempranas del desarrollo del cáncer colorrectal. El mecanismo (s) por el cual se genera CIN en las células de cáncer de colon no está claro en gran medida. Dado que la característica principal de la NIC es la aneuploidía, se ha predicho que puede surgir debido a cambios estructurales en los cromosomas y mitosis anormales. En el año 2001, dos grupos de investigación diferentes vincularon mutaciones en APC gen con CIN [74, 75]. Sus resultados sugirieron que la APC de tipo salvaje puede estar involucrada en el mantenimiento de la conexión adecuada de los microtúbulos con los cromosomas. APC realiza una función de puente entre los microtúbulos y los cromosomas. APC se une en el extremo positivo del microtúbulo a través de EB1, lo estira hasta los cromosomas y los inserta en cinetocoros después de unirse con Bub1. La APC co-localiza en cinetocoros y forma complejos con Bub1 y Bub3, las dos proteínas del punto de control mitótico [75]. La formación exitosa del complejo puede facilitar el crecimiento adecuado de la formación del huso y ayuda a mantener la euploidía (Fig. 5A). Una vez el APC El gen está mutado, la proteína APC truncada puede perder su capacidad para unirse con Bub1 y puede volverse incapaz de mantener adecuadamente la unión de los microtúbulos en los cinetocoros, lo que da como resultado un defecto en la segregación de los cromosomas (Fig. 5B).

Inestabilidad cromosómica (CIN) en células portadoras de mutaciones en APC gene. Panel A muestra un modelo para la interacción de APC con el extremo positivo del microtúbulo a través de EB1 y con el cinetocoro del cromosoma a través de Bub1 en células epiteliales normales del colon. APC también puede unirse a microtúbulos directamente a través del dominio básico C-terminal. Panel B muestra una interrupción en la interacción entre los microtúbulos del huso y los cinetocoros debido a la expresión de la forma truncada de APC en células de cáncer de colon.

Estos estudios también señalaron otra observación interesante asociada con CIN. Se ha encontrado que después de bloquear la apoptosis en cualquiera APC Min/ + o Apc1638T En las células madre embrionarias, el número de cromosomas aberrantes fue mucho mayor que en las células madre embrionarias de control que no pudieron sufrir apoptosis [74]. A partir de estos resultados, se ha sugerido una hipótesis de múltiples efectos sobre el desarrollo del cáncer colorrectal. El defecto de segregación cromosómica en las células de cáncer de colon con mutación APC El gen podría permanecer inactivo hasta que un impacto genético adicional suprima el punto de control mitótico o la apoptosis de las células defectuosas. En este sentido, el correcto funcionamiento de hSecurin, una proteína que es necesaria para completar la porción anafase de la mitosis, es fundamental para mantener la euploidía, ya que la pérdida de hSecurin a menudo se asocia con la pérdida de cromosomas en una alta frecuencia [ 76]. Además, se ha demostrado que la disfunción de los telómeros promueve la NIC que desencadenó la carcinogénesis temprana en el APC Min/ + Terc - / - modelos de ratón, mientras que la activación de la telomerasa restauró la estabilidad genómica a un nivel permisivo para la progresión del tumor [77]. Estos estudios sugirieron que la disfunción temprana y transitoria de los telómeros es un mecanismo principal subyacente a la NIC del cáncer humano. Por lo tanto, múltiples factores pueden jugar juntos en el desarrollo del cáncer colorrectal de células epiteliales normales - adenoma - etapas de carcinoma.

Las mutaciones en los genes de reparación de errores de apareamiento (MMR) están asociadas con la inestabilidad de microsatélites (MSI)

La inestabilidad de microsatélites (MSI) se caracteriza por la variación de tamaño de los microsatélites en el ADN del tumor en comparación con el ADN normal coincidente debido a defectos en el sistema de reparación de errores de emparejamiento (MMR). El sistema MMR es fundamental para el mantenimiento de la estabilidad genómica. La MMR aumenta la fidelidad de la replicación del ADN al identificar y eliminar los desajustes de una sola base y los bucles de inserción-deleción que pueden surgir durante la replicación del ADN. Por tanto, el sistema MMR cumple una función de vigilancia del daño del ADN al evitar el apareamiento incorrecto de bases o los bucles de inserción-deleción por deslizamiento de la ADN polimerasa [78]. Una vez que las células se comprometen con estas funciones, puede provocar una acumulación de mutaciones que provoquen el inicio del cáncer. Los genes MMR están implicados en uno de los síndromes de cáncer más prevalentes en humanos conocido como cáncer de colon hereditario sin poliposis (HNPCC) o síndrome de Lynch [79]. El HNPCC se caracteriza por ser una enfermedad hereditaria autosómica dominante con una penetrancia genética de 85 a 90% para el carcinoma colorrectal de inicio temprano. El HNPCC representa alrededor del 5 al 7% de los casos de carcinoma colorrectal. El diagnóstico molecular de HNPCC se basa en la determinación de genes MMR para mutaciones de la línea germinal. Hay al menos seis proteínas diferentes necesarias para el sistema completo de MMR. Estas proteínas son hMSH2, hMLH1, hPMS1, hPMS2, hMSH3 y hMSH6 (GTBP). Recientemente, el análisis de la línea germinal mutacional de hMSH2 y hMLH1 Se ha sugerido que los genes causan un inicio temprano en pacientes con cáncer colorrectal [80]. hMSH2 forma un heterodímero con hMSH6 o hMSH3 (dependiendo del tipo de lesión a reparar) y se une al sitio de desajuste. El complejo de hMSH2 con hMSH6 se denomina hMutSα y es necesario para la corrección de pares erróneos de bases simples. El complejo de hMSH2 con hMSH3 se denomina hMutSβ y es necesario para la corrección de los bucles de inserción-deleción [81]. Posteriormente, las proteínas hMutSα o hMutSβ reclutan un heterodímero de las proteínas hMLH1 y hPMS2 al complejo de reconocimiento de errores de apareamiento, que junto con otras proteínas participan en la escisión, resíntesis y ligación del ADN. Se han encontrado mutaciones en hMLH1 y hPMS2 en aproximadamente el 90% de los casos de HNPCC. Las mutaciones en otros genes MMR han sido menos frecuentes en pacientes con HNPCC [79]. En muchos cánceres de colon esporádicos, la hipermetilación del hMLH1 El promotor del gen que resulta en su silenciamiento transcripcional se ha observado más que mutaciones. Tanto las mutaciones como la metilación de hMLH1 El gen se ha relacionado con MSI que juega un papel causal en el inicio del cáncer colorrectal [82-84]. Recientemente, se ha sugerido que la vía del fenotipo metilador de islas CpG (CIMP) es una nueva vía de mutación que predispone a la tumorigénesis colónica. En muchos casos de cánceres de colon esporádicos, la MSI puede ser inducida por CIMP, seguida de hMLH1 metilación del promotor del gen, pérdida de hMLH1 expresión génica y deficiencia resultante de MMR [85]. La tasa de mutación en las células con deficiencia de MMR es de 100 a 1000 veces mayor que en las células normales. Hay muchos objetivos de inactivación del gen MMR, sin embargo, no está clara la etapa precisa de la tumorigénesis en la que se produce la mutación del gen MMR de tipo salvaje. Hay pocos genes diana bien estudiados de MMR, cuyas mutaciones en la región de microsatélites se han encontrado en tumores gastrointestinales. Estos genes diana son el receptor II del factor de crecimiento transformante-β (TGFβRII), hMSH3, hMSH6, receptor del factor de crecimiento II similar a la insulina (IGFIIR), la fosfatasa y el homólogo de tensión eliminado en el gen del cromosoma diez (PTEN), caspasa 5, Bloom (BLM) síndrome helicasa, factor 4 de células T (Tcf-4), el regulador del ciclo celular E2F4, y gen antiapoptótico Bax [86–95].

Señalización alterada de TGFβ en células MSI

En los cánceres de colon, la señalización del factor de crecimiento transformante-β (TGFβ) inhibe de forma potente el crecimiento de las células epiteliales normales, dado que las células tumorales con frecuencia son resistentes al TGFβ, causan lesiones preneoplásicas, aumentan la motilidad y diseminan el cáncer. La base estructural de la resistencia a TGFβ en cánceres de colon se define debido a mutaciones somáticas que inactivan el receptor II de TGFβ (TGFβRII) [86]. En líneas celulares de cáncer de colon humano con altas tasas de MSI, las mutaciones en el TGFβRII se encontró el gen [96]. Se trata principalmente de mutaciones de desplazamiento de marco de lectura que agregan o eliminan una o dos bases de adenina dentro o desde la repetición de poli (A) de 10 pares de bases en la región codificante rica en cisteína (codones 125-128) de la TGFβRII gene. Las mutaciones en esta región consisten en deleciones o inserciones de 1 o 2 bases. La otra región de microsatélites en el TGFβRII el gen es un poli (GT)3 que se encontró con la inserción de un GT extra en esta región [86, 96, 97]. Estas mutaciones producen proteínas truncadas que carecen del dominio citoplasmático. Hasta el 90% de los cánceres colorrectales con MSI tienen la mutación TGFβRII gene. Las respuestas de TGFβIIR están conectadas con Smads, productos génicos supresores de tumores, que ayudan a iniciar la transcripción génica mediada por TGFβ (Fig. 6). La regulación transcripcional del inhibidor del plasminógeno tipo 1 (PAI-1) e inhibidor de quinasa dependiente de ciclina p15 los genes están controlados por la señalización de TGFβ. PAI-1 es el inhibidor principal del activador de plasminógeno de tipo tisular (tPA) y del activador de plasminógeno de uroquinasa tipo 1 (uPA) [98]. TGFβ inhibe la proliferación celular al inducir un G1-fase de detención del ciclo celular actuando a través de una mayor expresión de p15 [99]. Por tanto, la pérdida de TGFβIIR o Smad4 puede abolir la señalización de TGFβ y promover la proliferación celular y el desarrollo de cáncer colorrectal. En un raton APC Min/ + modelo de ratón, la combinación de Smad4 y APC Se ha demostrado que las mutaciones genéticas provocan la formación rápida de tumores de las lesiones benignas que surgen sólo de la APC deficiencia genética [100]. Estos estudios, reiteran los datos humanos que plantean la hipótesis de que mutaciones en el TGFIIR El gen contribuye a la progresión del estadio de adenoma-carcinoma en el colon.

Señalización de TGFβ en epitelio colónico normal y células cancerosas. Panel A describe la vía funcional de la señalización de TGFβ en células epiteliales normales del colon. La unión del ligando de TGFβ con TGFβRII recluta TGFβRI en un complejo de receptor tetramérico que da como resultado la transfosforilación y activación de TGFβRI. Después de la fosforilación, el TGFβRI se convierte en una quinasa activa que fosforila Smad 2 y Smad3. SARA (Smad Anchor for Receptor Activation), una proteína de andamiaje que facilita la interacción entre Smad2, Smad3 y TGFβRI. Smad2 y Smad3 fosforilados permiten la formación de complejos de homo y heterodimerización, incluido Smad4. El complejo Smad luego se transloca al núcleo, se une al ADN y estimula la expresión de genes diana, incluyendo p15 (inhibidor de la quinasa del ciclo celular que controla el ciclo celular en G1 fase) y PAI-1 (inhibidor de la proteasa 1 que degrada las proteínas de la matriz extracelular durante la metástasis). Panel B muestra la vía anormal de la señalización de TGFβ en células de cáncer de colon. Muchas células de cáncer de colon con inestabilidad de microsatélites (MSI) debido a una actividad defectuosa de reparación de errores de apareamiento (MMR) inducen mutaciones en TGFβRII gene. A menudo, se trata de mutaciones de desplazamiento del marco de lectura que insertan o eliminan una o dos bases de adenina ubicadas dentro de una región de repetición de poliadenina de 10 pares de bases (pares de bases 709-718, codones 125-128 denominados BAT-RII) de TGFβRII gene. Estas mutaciones codifican proteínas TGFβRII truncadas entre 129 y 161 aminoácidos del dominio citoplásmico lo que provoca la inactivación funcional de estas proteínas. Por lo tanto, la pérdida de la señalización de TGFβ puede abolir el control del ciclo celular e inducir la metástasis de las células cancerosas de colon al inhibir p15 y PAI-1 expresión de genes, respectivamente.

Mutaciones en IGFIIR el producto génico aumenta la señalización de TGFβ1 en células MSI

El receptor del factor de crecimiento similar a la insulina II (IGFIIR) desempeña un papel fundamental en el crecimiento, la supervivencia y la diferenciación celular; sin embargo, una vez mutados, estos receptores desempeñan un papel importante en la tumorigénesis [101, 102]. El receptor IGFIIR / manosa-6 fosfato (M6PR) interactúa con ligandos de IGF-II y TGFβ1 latente y actúa como un supresor del crecimiento tumoral [103]. El IGFIIR realiza su función supresora del crecimiento mediante dos mecanismos diferentes. En un caso, se une y estimula la escisión mediada por plasmina y la activación del TGFβ1 latente; en el segundo caso, participa en la internalización y degradación de su propio ligando IGFII, un mitógeno [104]. los IGFIIR El gen alberga varios microsatélites dentro de su región de codificación, uno de ellos es poli (G)8 repetir que a menudo está mutado con deleciones o inserciones de 1 o 2 pares de bases.Estas mutaciones producen cambios de marco y codones de parada prematuros [89]. Por tanto, la pérdida de la función IGFIIR debido a mutaciones en las células MSI puede potenciar la proliferación celular debido a la acumulación y activación de IGFII y la regulación negativa de TGFβ1.

Mutaciones en PTEN El gen causa la activación de señales oncogénicas PI3K y Akt en células MSI

los PTEN gen supresor de tumores, también conocido como mutado en múltiples cánceres avanzados (MMAC) o fosfatasa enriquecida en células epiteliales y regulada por TGFβ (TEP-1), se encuentra en el cromosoma 10q23. Se ha encontrado una deleción homóloga de este gen en carcinomas esporádicos de glioma, endometrio, melanoma, próstata, renal, meningioma y pulmón microcítico. Mutaciones de la línea germinal en PTEN El gen está relacionado con síndromes de cáncer hereditario autosómico dominante como la enfermedad de Cowden, la enfermedad de Lhermitte-Duclos y el síndrome de Bannqayan-Zonana, el síndrome de Bannayan-Riley-Ruvalcaba, Proteo síndrome, y Proteo-síndromes similares a [105-110]. En los cánceres de endometrio y colorrectal, las mutaciones en el gen PTEN se producen en células con función deficiente de MMR [109, 111]. La región codificante del gen PTEN contiene varios microsalitos, entre los cuales una repetición de poli (A)6 tracto en los exones 7 y 8 son más susceptibles a las mutaciones por desplazamiento del marco de lectura [112]. PTEN participa en la detención del ciclo celular y la apoptosis mediante la regulación negativa de la señalización de supervivencia mediada por fosfatidilinositol 3-fosfato (PIP3) quinasa (PI3K) y su objetivo descendente, una serina / treonina quinasa Akt (también llamada proteína quinasa B) [113 , 114]. Una vez que las células reciben señales a través de factores de crecimiento, hormonas o componentes de la matriz extracelular, la PIP3 recluta la Akt hacia la membrana plasmática, donde se fosforila en la Ser473 / Thr308 [115]. La Akt fosforilada participa en la supervivencia, proliferación y migración celular. Por tanto, la pérdida de PTEN provoca una elevación del nivel de PIP3 intracelular que estimula la actividad de Akt kianse. La Akt activa conduce a la tumorigénesis debido a la pérdida de los controles proliferativos y apoptóticos del crecimiento celular. Los datos genéticos de PTEN Las mutaciones genéticas encontradas en tumores humanos fueron respaldadas por estudios en animales. En un estudio de modelo de ratón, el PTEN - / - se encontró que los ratones nulos homocigotos eran embrionarios letales, sin embargo, el PTEN Los ratones - / + desarrollaron neoplasias en varios órganos, incluyendo mama, próstata, endometrio, suprarrenales, linfoides, piel, colon, tiroides, hígado y timo [116].

Mutaciones en E2F4 El gen pierde el control del ciclo celular en las células MSI.

La capacidad de pRb para regular la progresión del ciclo celular depende de su interacción con la familia de factores de transcripción E2F / DP que son necesarios para la regulación de un gran número de genes implicados en la proliferación celular [117-119]. Hay al menos seis proteínas E2F que pueden clasificarse en distintos subgrupos que actúan en oposición directa entre sí para promover la proliferación celular o la salida del ciclo celular y la diferenciación terminal. Las proteínas E2F1, E2F2 y E2F3 se pueden agrupar en un subgrupo ya que todas interactúan directamente con pRb y son fuertes activadores transcripcionales. Las proteínas E2F4 y E2F5 son activadores transcripcionales comparativamente menos fuertes o, a veces, actúan como represores al reclutar las proteínas de bolsillo (BOX 2) y sus enzimas modificadoras de histonas asociadas. El E2F6 actúa como represor a través de su interacción con el grupo de proteínas Polycom que contiene Bmi1 [120-122]. Los factores de transcripción E2F4 y E2F5 también son diferentes de sus otros miembros de la familia en que estos factores carecen del dominio de unión de ciclina A. Además, hay otra característica crítica en el gen E2F4 que es distinta de los miembros de su familia. La región de codificación del E2F4 El gen contiene un segmento espaciador más largo de una secuencia repetida de trinucleótidos (CAG).13 que codifica 13 residuos de serina consecutivos, esta región es muy vulnerable a mutaciones de desplazamiento de marco en células MSI. En los tumores colorrectales defectuosos en MMR, se han observado mutaciones en el gen E2F4 [91]. Por lo tanto, defectuoso E2F4 La expresión génica en células de cáncer de colon MSI posiblemente puede promover la progresión del ciclo celular a través de Go/GRAMO1 transición.

Mutaciones en el gen proapoptótico Bax en células MSI

Aproximadamente el 50% de los tumores con MSI se encuentran con mutaciones en el Bax gene. Estas mutaciones producen mutaciones de desplazamiento de marco dentro de una región codificante de un tramo de ocho nucleótidos de residuos de guanina (G8) [93, 123]. Bax heterodimeriza con la proteína anti-apoptótica Bcl2 e induce la apoptosis. En presencia de señales apoptóticas, las proteínas del dominio BH3 tBid se activan y se unen a Bax. La interacción de tBid con Bax trae cambios conformacionales en Bax, y esto promueve su translocación a las mitocondrias. Bax se oligomeriza y se inserta en la membrana mitocondrial externa donde forma canales para liberar el citocromo c (Cyt c) en el citoplasma. El Cyt c liberado forma un complejo llamado apoptosoma con Apaf-1, dATP y pro-caspasa 9 [124]. El apoptosoma recluta y procesa la pro-caspasa 9 para formar un complejo de holoenzimas, que a su vez recluta y activa las caspasas efectoras que conducen a la apoptosis. Por tanto, la expresión de la proteína Bax mutada puede no liberar Cyt cy aumentar la relación Bax-Bcl2, lo que da como resultado el escape de la apoptosis y la inducción de la carcinogénesis colorrectal.

Mutaciones en flor (BLM) síndrome del gen helicasa en células MSI

El síndrome de Bloom (SB) es una rara predisposición al cáncer hereditaria autosómica recesiva causada por la inactivación de la helicasa de la familia RecQ, BLM [125, 126]. El trastorno genético del BLM El gen se caracteriza por deficiencia de crecimiento, fertilidad alterada, enanismo proporcional, eritema telangiectásico sensible al sol, inmunodeficiencia y envejecimiento prematuro. La función de la helicasa BLM está implicada en el reinicio de las horquillas de replicación del ADN que están bloqueadas en las lesiones, lo que promueve la estabilidad cromosómica, que se caracteriza por intercambios de cromátidas hermanas (SCE) elevados, así como roturas, deleciones y reordenamientos cromosómicos. Además, las helicasas BLM desempeñan funciones esenciales en la recombinación genética, la transcripción y la reparación del ADN [127, 128]. En todos los sistemas anteriores, las actividades de helicasa derivan energía de la hidrólisis de ATP. BLM es parte del complejo de vigilancia del genoma asociado a BRCA1 (BASC) que incluye MSH2, MHS6, MLH1, ATM, complejo RAD50-MRE11-NBS1 y factor de replicación C [129]. La BLM también interactúa con la proteína de unión a ADN heterotrimérica monocatenaria, la proteína de replicación A (RPA), que después de la unión estimula la actividad helicasa de la BLM [130]. La estructura genética del BLM La región codificadora del gen contiene 4.437 pares de bases y codifica 1.417 aminoácidos. La helicasa BLM tiene diferentes motivos que se asignan a diferentes actividades. Los motivos Ia, III y V contienen residuos que establecen contacto directo con el ssDNA y los motivos I, II-IV y VI forman un bolsillo para la unión de ATP [131]. Se ha observado que muchas mutaciones puntuales en pacientes con BS se limitan a estos motivos helicasa conservados, interrumpiendo así su actividad ATPasa y helicasa. La secuenciación del ADN de los tumores gastrointestinales esporádicos mostró bandas anormales causadas por una deleción de un residuo de adenina en el tracto de poliadenina (reducción de nueve a ocho adeninas) en la región codificante de la BLM gen [95, 132, 133]. Dado que estos tumores tenían genes MMR defectuosos, las mutaciones en el BLM gen está directamente relacionado con MSI y vías de inestabilidad cromosómica. Mutaciones en BLM gen se ha asociado con cambios de marco en Bax, hMSH6 y / o hMSH3 con múltiples repeticiones inestables de mono y trinucleótidos ubicadas en regiones codificantes que eran significativamente más altas que las observadas en tumores positivos con fenotipo mutante de microsatélites sin cambios de marco BLM. A partir de estos estudios, se ha sugerido que la pérdida de función de BLM por MSI en tumores gastrointestinales esporádicos podría ser un evento mutacional intermedio, que puede aumentar la inestabilidad de un genotipo inestable preexistente.

Mutaciones en el factor 4 de células T (Tcf-4) gen en células MSI

En la Figura 3, la interrupción de la vía APC / β-catenina se muestra como un paso crítico en el desarrollo de cánceres colorrectales y de otro tipo. La β-catenina oncogénica se transloca al núcleo, se heterodimeriza con la familia de proteínas Tcf / Lef y transcribe genes diana. El factor de transcripción Tcf-4 es una de las proteínas de la familia Tcf, que forma un complejo de transcripción con β-catenina y desempeña un papel importante en el mantenimiento del crecimiento epitelial normal y el desarrollo de tumores colorrectales [35]. La actividad transcripcional de Tcf-4 / β-catenina es inhibida por la proteína Icat (inhibidor de β-catenina y Tcf-4), que bloquea la interacción entre β-catenina y Tcf-4 y, por tanto, antagoniza la señalización de Wnt [134]. Dado que la vía APC / Tcf-Lef / β-catenina juega un papel importante en el desarrollo del cáncer colorrectal, el análisis mutacional de estos genes es fundamental para evaluar sus funciones. Las mutaciones y sus consecuencias en APC y CTTNB Los genes (β-catenina) se comentaron anteriormente, que son características de CIN. Sin embargo, las mutaciones en el Tcf-4 se encontraron genes en células MSI [135-137]. En celdas MSI, un poli (A) propenso a errores9 monorrepetición en el exón 17 del Tcf-4 El gen muestra con frecuencia mutaciones de desplazamiento del marco de lectura por deleción de un nucleótido que produce una isoforma corta y media de la proteína Tcf-4. Las propiedades transactivadoras de estas isoformas de Tcf-4 más cortas en el desarrollo de cánceres colorrectales aún no están claras. Recientemente, se ha sugerido que las mutaciones de cambio de marco en el poli (A)9 región de la Tcf-4 De hecho, el gen puede producir una ganancia en función de la isoforma de Tcf-4 más corta debido a la pérdida de los sitios de unión de las moléculas supresoras de la transcripción, CtBP o Grg / TLE [138-140]. Estas proteínas Tcf-4 mutadas también pierden la unión de los complejos remodeladores de cromatina que contienen Osa / Brahma [141]. Por tanto, basándose en estos estudios, se espera que la proteína Tcf-4 mutada pueda adquirir una mayor actividad transcripcional al aumentar la afinidad de unión por la β-catenina o al facilitar la organización estructural de la cromatina [142]. Finalmente, se ha sugerido que las mutaciones en el Tcf-4 El gen puede no tener un efecto significativo y, por tanto, puede contribuir marginalmente a la carcinogénesis colorrectal o actuar como mutaciones pasajeras [140].


Mutaciones de novo en la práctica clínica

El reciente reconocimiento de la importancia de las mutaciones de novo en las enfermedades humanas tiene muchas implicaciones para las pruebas genéticas de rutina y la práctica clínica. Las mutaciones de novo se han establecido ahora como la causa de la enfermedad en una gran fracción de pacientes con trastornos graves de inicio temprano, que van desde síndromes de malformaciones congénitas raras [185, 186] hasta trastornos del neurodesarrollo más comunes, como formas graves de discapacidad intelectual [ 33], epilepsia [31] y autismo [29]. Juntos, estos trastornos representan una proporción sustancial de todos los pacientes atendidos en los departamentos de neuropediatría y genética clínica de todo el mundo.

Identificar la causa genética de un trastorno causado por una mutación de novo en un individuo puede ser un desafío desde el punto de vista clínico debido a la pleiotropía, así como a la heterogeneidad genética que subyace a un solo fenotipo. Por ejemplo, la discapacidad intelectual puede ser causada por mutaciones puntuales de novo, indeles o CNV en cualquiera de los cientos de genes [117]. Este obstáculo para proporcionar un diagnóstico clínico aboga fuertemente por un enfoque genómico confiable y asequible que pueda usarse para detectar estas mutaciones de novo en grandes grupos de pacientes. La secuenciación del exoma y del genoma (que además ofrece la posibilidad de una detección precisa de la variación estructural) de los tríos padre-paciente es ideal para esto y pronto se convertirá en el enfoque de diagnóstico de primer nivel para estos trastornos. Una ventaja clave de este enfoque de secuenciación basado en trío es que ayuda a priorizar los candidatos por ocurrencia de novo, lo que permite a los laboratorios clínicos centrarse en las mutaciones candidatas más probables para el seguimiento y la interpretación (Cuadro 3) [187]. La interpretación de mutaciones candidatas de novo puede guiarse por el uso de diferentes puntuaciones, como la “puntuación de intolerancia a la variación residual” (RVIS), basada en la comparación de la variación humana de sentido erróneo raro versus común por gen [188]. Alternativamente, se pueden usar “puntuaciones de restricción selectiva”, basadas en la variación funcional rara observada versus esperada por gen en humanos [126].

La identificación de una mutación de novo como causa de enfermedad en un paciente tiene varias implicaciones para el paciente y su familia. En primer lugar, la detección del defecto genético subyacente al fenotipo establece un diagnóstico genético que puede utilizarse para proporcionar un pronóstico basado en datos de otros pacientes con mutaciones similares [189] e información sobre las opciones de tratamiento actuales [190] y, en el futuro, para el desarrollo y aplicación de intervenciones terapéuticas personalizadas [191]. Además, la identificación de una mutación de novo ofrece a los padres del paciente afectado una explicación de por qué se produjo el trastorno y podría ayudar a lidiar con los sentimientos de culpa [192, 193]. En términos de planificación familiar, la identificación de una mutación de novo como la causa de la enfermedad en un niño puede ser una noticia positiva con respecto al riesgo de recurrencia, ya que es mucho menor que para los trastornos hereditarios recesivos o dominantes (ligeramente por encima del 1% frente a 25 y 50%, respectivamente) [11, 158]. Sin embargo, el riesgo de recurrencia depende en gran medida del momento de la mutación, ya que el mosaicismo parental de la mutación aumenta el riesgo de recurrencia [158]. Aproximadamente el 4% de las mutaciones aparentemente de novo se originan a partir del mosaicismo parental detectable en la sangre [11], y un trabajo reciente sugiere que la transmisión del mosaicismo parental podría explicar hasta el 10% de las mutaciones de novo en el trastorno del espectro autista [194]. Esto implica que una fracción de las mutaciones de novo tienen un riesgo de recurrencia estimado superior al 5% [158]. Además, cerca del 7% de las mutaciones aparentemente de novo surgen como eventos poszigóticos en la descendencia [88, 89, 91]. Los padres de un individuo con una mutación poscigótica tienen un riesgo bajo de recurrencia de la mutación en un niño adicional, que se estima que es el mismo que el riesgo de la población [90]. Se puede realizar una secuenciación profunda dirigida de una mutación que causa la enfermedad para probar su presencia en la sangre de los padres y detectar mosaicismo en la descendencia. Aunque todavía no se ofrece de forma rutinaria, este tipo de prueba puede proporcionar una estimación personalizada y estratificada del riesgo de recurrencia en función de la presencia o ausencia de mosaicismo en los padres o en la descendencia.

Finalmente, es imposible evitar que surjan mutaciones de novo en la línea germinal de cada nueva generación, pero se debe prestar atención a los factores que aumentan el número de mutaciones de novo en la descendencia. El factor de riesgo más importante es la edad paterna avanzada en el momento de la concepción [15], que es de gran importancia desde una perspectiva epidemiológica, ya que la mayoría de las parejas en los países occidentales tienen hijos a edades más avanzadas. De hecho, este aumento de mutaciones de novo con la edad paterna en el momento de la concepción podría explicar los estudios epidemiológicos que relacionan el aumento de la edad paterna con un mayor riesgo de trastornos del desarrollo neurológico en la descendencia [195]. Sin embargo, un estudio reciente de modelado genético de la población indicó que las mutaciones de novo podrían no explicar gran parte del mayor riesgo de trastornos psiquiátricos en los niños nacidos de padres mayores [122]. Si bien este podría ser el caso de fenotipos relativamente leves y de aparición tardía, como la esquizofrenia, las mutaciones de novo son responsables de la mayoría de los trastornos pediátricos más graves que surgen en poblaciones consanguíneas [10, 196]. En la actualidad, la mayor parte de la atención, los consejos y las pautas se centran en la edad materna avanzada como un problema de salud pública. A partir del trabajo actual sobre mutaciones de novo, resulta evidente que es fundamental asesorar al público, incluidos los responsables de la formulación de políticas, sobre los riesgos potenciales de la edad paterna avanzada y la carga que podría acarrear para la sociedad. Una “solución” extrema si se pospone la reproducción podría ser promover la criopreservación de ovocitos y espermatozoides [197], una medida que ha sido objeto de mucho debate y que se ha denominado “congelación social”.


CH450 y CH451: bioquímica: definición de la vida a nivel molecular

12.1 Mutaciones del ADN

12.2 Tipos de daño al ADN

12.3 Respuesta al estrés celular y al daño del ADN

12.4 Reparación de desajustes

12.5 Reparación de escisión de base

12.6 Reparación por escisión de nucleótidos

12.7 Reparación de roturas de ADN bicatenario

12.8 Síntesis de translesión y derivación propensa a errores

12.9 Problemas de práctica

12.10 Referencias

12.1 Mutaciones del ADN

La integridad de la estructura del ADN para la viabilidad celular se ve subrayada por la gran cantidad de maquinaria celular dedicada a garantizar su replicación, reparación y almacenamiento precisos. Aún así, las mutaciones dentro del ADN son un evento bastante común.

Mutaciones son cambios aleatorios que ocurren dentro de la secuencia de bases en el ADN. Pueden ser a gran escala, alterando la estructura de los cromosomas, o a pequeña escala donde solo alteran unas pocas o incluso una sola base o nucleótido. Las mutaciones pueden ocurrir por muchas razones. Por ejemplo, las mutaciones del ADN pueden deberse a errores cometidos por la ADN polimerasa durante la replicación. Como se señaló en el capítulo 9, las ADN polimerasas son enzimas altamente procesivas que contienen funciones de corrección y edición. Con estas medidas de seguridad, sus tasas de error suelen ser muy bajas y oscilan entre una en un millón de bases y una en mil millones de bases. Incluso con una fidelidad tan alta, esta tasa de error conducirá a entre 3 y 3000 errores dentro del genoma humano para cada célula que experimenta la replicación del ADN. Las mutaciones del ADN también pueden resultar de la replicación del ADN que ha sido dañado por agentes endógenos o exógenos. La siguiente sección destacará los tipos comunes de daños en el ADN y sus efectos. Si una ADN polimerasa encuentra una base de ADN dañada en el ADN molde durante la replicación, puede colocar una base de nucleótidos aleatoria frente a la lesión. Por ejemplo, a menudo se agregará un nucleótido que contiene adenina a través de una lesión, independientemente de cuál deba ser la coincidencia correcta. Esto puede conducir a la formación de transición o transversión mutaciones.

A transición La mutación es una mutación puntual que cambia un nucleótido de purina a otra purina (A ↔ G) o un nucleótido de pirimidina a otra pirimidina (C ↔ T). Considerando que, un transversión se refiere a la sustitución de una purina por una pirimidina o viceversa. A veces, las lesiones pueden hacer que las bases se salten durante la replicación o hacer que se inserten nucleótidos adicionales en la columna vertebral. Las ADN polimerasas también pueden deslizarse durante la replicación de regiones del ADN que tienen secuencias repetidas o grandes tramos que repiten una sola base. Las lesiones más grandes o los enlaces cruzados en el ADN durante la replicación pueden provocar daños más catastróficos en el ADN, incluidas las roturas de la cadena de ADN. Las mutaciones también pueden ocurrir durante los procesos de mitosis y meiosis cuando las cromátidas hermanas y / o los cromosomas homólogos se separan entre sí.

En naturaleza, mutagénesis, o el proceso de generar mutaciones en el ADN, puede conducir a cambios que son dañinos, beneficiosos o que no tienen ningún efecto. Las mutaciones nocivas pueden provocar cáncer y diversas enfermedades hereditarias, pero las mutaciones beneficiosas son la fuerza impulsora de la evolución. En 1927, Hermann Muller demostró por primera vez los efectos de las mutaciones con cambios observables en los cromosomas. Indujo mutagénesis irradiando moscas de la fruta con rayos X.

Cuando una mutación es causada por un factor ambiental o un agente químico, ese agente se llama mutageno. Los mutágenos típicos incluyen sustancias químicas, como las que se inhalan al fumar, y radiación, como rayos X, luz ultravioleta y radiación nuclear. Los diferentes mutágenos tienen diferentes modos de dañar el ADN y se analizan con más detalle en la siguiente sección. Es importante señalar que el daño del ADN, en sí mismo, no conduce necesariamente a la formación de una mutación en el ADN. Existen elaborados procesos de reparación del ADN diseñados para reconocer y reparar diferentes tipos de lesiones del ADN. En realidad, menos de 1 de cada 1.000 lesiones en el ADN provocarán una mutación del ADN. Los procesos de reconocimiento y reparación de daños en el ADN son el tema central de las secciones posteriores de este capítulo.

Tipos de mutaciones

Existe una variedad de tipos de mutaciones. Dos categorías principales de mutaciones son las mutaciones de la línea germinal y las mutaciones somáticas.

  • Mutaciones de la línea germinal ocurren en los gametos, las células sexuales, como los óvulos y los espermatozoides. Estas mutaciones son especialmente significativas porque pueden transmitirse a la descendencia y todas las células de la descendencia tendrán las mutaciones.
  • Mutaciones somáticas ocurren en otras células del cuerpo. Estas mutaciones pueden tener poco efecto en el organismo porque se limitan a una sola célula y sus células hijas. Las mutaciones somáticas tampoco se pueden transmitir a la descendencia.

Las mutaciones también difieren en la forma en que se cambia el material genético. Las mutaciones pueden cambiar un cromosoma completo o solo uno o algunos nucleótidos.

Alteraciones cromosómicas son mutaciones que cambian la estructura o el número de cromosomas. Ocurren cuando una sección de un cromosoma se rompe y se vuelve a unir incorrectamente o no se vuelve a unir en absoluto. Las posibles formas en que pueden ocurrir estas mutaciones se ilustran en la siguiente figura. Las alteraciones cromosómicas son muy graves. A menudo resultan en la muerte de la célula u organismo en el que ocurren. Si el organismo sobrevive, puede verse afectado de múltiples formas. Un ejemplo de alteración cromosómica humana es la mutación que causa el síndrome de Down. Es una mutación por duplicación que conduce a retrasos en el desarrollo y otras anomalías. Ocurre cuando el individuo hereda una copia adicional del cromosoma 21. También se llama trisomía (& # 8220three-cromosoma & # 8221) 21. Por lo tanto, las mutaciones a gran escala en la estructura cromosómica incluyen: (1) Amplificaciones (incluidas las duplicaciones de genes) donde la repetición de un segmento cromosómico o la presencia de un fragmento adicional de un cromosoma un fragmento roto de un cromosoma puede unirse a un cromosoma homólogo o no homólogo, de modo que algunos de los genes están presentes en más de dos dosis, lo que da lugar a múltiples copias de todos los cromosomas. regiones, aumentando la dosis de los genes ubicados dentro de ellas, (2) Eliminacionesde grandes regiones cromosómicas, lo que lleva a la pérdida de los genes dentro de esas regiones, y (3) Reordenamientos cromosómicos tal como translocaciones (cuyo intercambio de partes genéticas de cromosomas no homólogos), inserciones (que inserta segmentos de un cromosoma en otro cromosoma no homólogo), y inversiones(que invierten o voltean una sección de un cromosoma en la orientación opuesta) (Figura 12.1).

Figura 12.1 Alteraciones cromosómicas. Las alteraciones cromosómicas son cambios importantes en el material genético. Imagen modificada de Dietzel65

También pueden ocurrir mutaciones más pequeñas que solo alteran un solo nucleótido o una pequeña cantidad de nucleótidos dentro de una región localizada del ADN. Estos se clasifican según cómo se altere la molécula de ADN. Un tipo, un mutación puntual, afecta a una sola base y ocurre más comúnmente cuando una base es sustituida o reemplazada por otra. Las mutaciones también resultan de la adición de una o más bases, conocidas como inserción, o la eliminación de una o más bases, conocida como supresión.

Las mutaciones puntuales pueden tener una amplia gama de efectos sobre la función de las proteínas (tabla 12.1 y figura 12.2). Como consecuencia de la degeneración del código genético, un mutación puntual normalmente dará como resultado la incorporación del mismo aminoácido en el polipéptido resultante a pesar del cambio de secuencia. Este cambio no tendría ningún efecto sobre la estructura de la proteína y, por lo tanto, se denomina mutación silenciosa. A mutación sin sentido da como resultado la incorporación de un aminoácido diferente en el polipéptido resultante. El efecto de una mutación sin sentido depende de cuán químicamente diferente sea el nuevo aminoácido del aminoácido de tipo salvaje. La ubicación del aminoácido modificado dentro de la proteína también es importante. Por ejemplo, si el aminoácido modificado es parte del sitio activo de la enzima o afecta en gran medida la forma de la enzima, entonces el efecto de la mutación sin sentido puede ser significativo. Muchas mutaciones sin sentido dan como resultado proteínas que aún son funcionales, al menos hasta cierto punto. A veces, los efectos de las mutaciones sin sentido pueden ser solo aparentes en determinadas condiciones ambientales, tales mutaciones sin sentido se denominan mutaciones condicionales. En raras ocasiones, una mutación sin sentido puede ser beneficiosa. En las condiciones ambientales adecuadas, este tipo de mutación puede dar al organismo que lo alberga una ventaja selectiva. Otro tipo de mutación puntual, llamada mutación sin sentido, convierte un codón que codifica un aminoácido (un codón con sentido) en un codón de terminación (un codón sin sentido). Las mutaciones sin sentido dan como resultado la síntesis de proteínas que son más cortas que las de tipo salvaje y por lo general no son funcionales (resumido en la figura 12.3).

Tabla 12.1: Tipos de mutaciones puntuales

Escribe Descripción Ejemplo Efecto
Silencio códigos de codones mutados para el mismo aminoácido CAA (glutamina) → CAG (glutamina) ninguno
Sin sentido códigos de codones mutados para un aminoácido diferente CAA (glutamina) → CCA (prolina) variable
Disparates un codón mutado es un codón de parada prematuro CAA (glutamina) → UAA (detener) generalmente grave

Figura 12.2 Los efectos potenciales de las mutaciones puntuales en las regiones codificantes de proteínas. La imagen muestra varios tipos de mutaciones puntuales (silenciosas, sin sentido y sin sentido), que pueden provocar cambios en la estructura de la proteína.
Figura de: Jonsta247

Menor escala eliminaciones y inserciones también provocan diversos efectos. Debido a que los codones son tripletes de nucleótidos, las inserciones o deleciones en grupos de tres nucleótidos pueden conducir a la inserción o deleción de uno o más aminoácidos y pueden no causar efectos significativos sobre la funcionalidad de la proteína resultante. Sin embargo, mutaciones de cambio de marco, causadas por inserciones o deleciones de varios nucleótidos que no son múltiplos de tres son extremadamente problemáticas debido a que se produce un cambio en el marco de lectura (Figura 12.3). Debido a que los ribosomas leen el ARNm en codones triplete, las mutaciones de desplazamiento de marco pueden cambiar cada aminoácido después del punto de la mutación. El nuevo marco de lectura también puede incluir un codón de parada antes del final de la secuencia de codificación. En consecuencia, las proteínas elaboradas a partir de genes que contienen mutaciones de desplazamiento del marco de lectura casi siempre no son funcionales.

Figura 12.3. Resumen de mutaciones a pequeña escala en regiones codificantes de proteínas. Las alteraciones del ADN que conducen a cambios en la secuencia de proteínas codificada por el ADN pueden incluir mutaciones puntuales, inserciones de ADN y deleciones de ADN.

La mayoría de las mutaciones no tienen efectos negativos ni positivos en el organismo en el que ocurren. Estas mutaciones se denominan mutaciones neutrales. Los ejemplos incluyen mutaciones puntuales silenciosas, que son neutrales porque no cambian los aminoácidos en las proteínas que codifican.

Algunas mutaciones tienen un efecto positivo en el organismo en el que ocurren. Se las conoce como mutaciones beneficiosas. Si ocurren en las células de la línea germinal (óvulos o espermatozoides), estos rasgos pueden ser hereditarios y transmitidos de una generación a la siguiente. Las mutaciones beneficiosas generalmente codifican nuevas versiones de proteínas que ayudan a los organismos a adaptarse a su entorno. Si aumentan las posibilidades de que un organismo sobreviva o se reproduzca, es probable que las mutaciones se vuelvan más comunes dentro de una población con el tiempo. Hay varios ejemplos bien conocidos de mutaciones beneficiosas. Aquí hay solo dos:

  1. Se han producido mutaciones en bacterias que permiten que las bacterias sobrevivan en presencia de antibióticos. Las mutaciones han dado lugar a la evolución de cepas de bacterias resistentes a los antibióticos.
  2. Se encuentra una mutación única en personas de un pequeño pueblo de Italia. La mutación los protege de desarrollar aterosclerosis, que es la peligrosa acumulación de materiales grasos en los vasos sanguíneos. Incluso se ha identificado al individuo en el que apareció por primera vez la mutación.

También pueden ocurrir mutaciones dañinas. Imagínese hacer un cambio aleatorio en una máquina complicada, como el motor de un automóvil. La posibilidad de que el cambio aleatorio mejore el funcionamiento del automóvil es muy pequeña. Es mucho más probable que el cambio dé como resultado un automóvil que no funcione bien o tal vez no funcione en absoluto. De la misma manera, es más probable que cualquier cambio aleatorio en el ADN de un gen dé como resultado la producción de una proteína que no funciona normalmente o puede que no funcione en absoluto, que en una mutación que mejora la función. Es probable que estas mutaciones sean perjudiciales. Las mutaciones nocivas pueden causar trastornos genéticos o cáncer.

  • Un trastorno genético es una enfermedad, síndrome u otra condición anormal causada por una mutación en uno o más genes o por una alteración cromosómica. Un ejemplo de trastorno genético es la fibrosis quística. Una mutación en un solo gen hace que el cuerpo produzca una mucosidad espesa y pegajosa que obstruye los pulmones y bloquea los conductos de los órganos digestivos. Los trastornos genéticos generalmente son causados ​​por mutaciones genéticas que ocurren dentro de las células de la línea germinal y son de naturaleza hereditaria.
  • Las enfermedades causadas por mutaciones que ocurren dentro de un individuo, pero que no se transmiten a su descendencia, son mutaciones que ocurren en las células somáticas. El cáncer es una enfermedad causada por la acumulación de mutaciones dentro de las células somáticas. Produce células que crecen sin control y forman masas anormales de células llamadas tumores. Generalmente es causada por mutaciones en genes que regulan el ciclo celular, la reparación del ADN, la angiogénesis y otros genes que favorecen el crecimiento y la supervivencia celular. Debido a las mutaciones, las células con el ADN mutado han evolucionado para dividirse sin restricciones, esconderse del sistema inmunológico y desarrollar resistencia a los medicamentos.

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12.2 Tipos de daño al ADN

El daño del ADN, debido a factores ambientales y procesos metabólicos normales dentro de la célula, ocurre a una tasa de 1,000 a 1,000,000 de lesiones moleculares por célula por día. Si bien esto constituye solo el 0,000165% del genoma humano & # 8217 aproximadamente 6 mil millones de bases (3 mil millones de pares de bases), si no se repara puede causar mutaciones en genes críticos (como los genes supresores de tumores) que puede impedir la capacidad de una célula para llevar a cabo su funcionan y aumentan apreciablemente la probabilidad de formación de tumores y estados patológicos como el cáncer.

La gran mayoría del daño del ADN afecta la estructura primaria de la doble hélice, es decir, las bases mismas están químicamente modificadas. Estas modificaciones pueden, a su vez, alterar la estructura helicoidal regular de las moléculas al introducir enlaces químicos no nativos o aductos voluminosos que no encajan en la doble hélice estándar. A diferencia de las proteínas y el ARN, el ADN generalmente carece de estructura terciaria y, por lo tanto, no se producen daños o alteraciones a ese nivel. Sin embargo, el ADN está superenrollado y enrollado alrededor de proteínas llamadas histonas (en eucariotas), y ambas superestructuras son vulnerables a los efectos del daño del ADN.

Hay varios tipos de daños en el ADN que pueden ocurrir debido a procesos celulares normales o debido a la exposición ambiental de las células a agentes que dañan el ADN. Las bases de ADN pueden dañarse por: (1) procesos oxidativos, (2) alquilación de bases, (3) pérdida de bases causada por la hidrólisis de bases, (4) formación de aductos voluminosos, (5) entrecruzamiento del ADN y (6) ADN roturas de hebra, incluidas roturas de hebra simple y bicatenaria. A continuación se describe una descripción general de estos tipos de daños.

Daño oxidativo

Las especies reactivas de oxígeno (ROS) pueden causar un estrés y daño celular significativo, incluido el daño oxidativo del ADN. Los radicales hidroxilo (• OH) son uno de los ROS más reactivos y electrofílicos y pueden ser producidos por radiaciones ultravioleta e ionizante o por otros radicales que surgen de reacciones enzimáticas. El • OH puede causar la formación de 8-oxo-7,8-dihidroguanina (8-oxoG) a partir de residuos de guanina, entre otros productos oxidativos (Figura 12.4). La guanina es la base de ácido nucleico que se oxida más fácilmente, porque tiene el potencial de ionización más bajo entre las bases de ADN. El 8-oxo-dG es una de las lesiones de ADN más abundantes, y se considera un biomarcador de estrés oxidativo. Se ha estimado que hasta 100.000 lesiones de 8-oxo-dG pueden ocurrir diariamente en el ADN por célula. El potencial de reducción de 8-oxo-dG es incluso menor (0,74 V frente a NHE) que el de la guanosina (1,29 V frente a NHE). Por lo tanto, se puede oxidar aún más creando una variedad de productos de oxidación secundaria.

Figura 12.4 Especies reactivas de oxígeno y daño al ADN. En condiciones de estrés oxidativo, el 8-oxoG es el resultado de especies reactivas de oxígeno (ROS) que modifican una guanina.

Como se mencionó anteriormente, el aumento de los niveles de 8-oxo-dG en un tejido puede servir como un biomarcador del estrés oxidativo. Además, los niveles elevados de 8-oxo-dG se encuentran frecuentemente asociados con la carcinogénesis y otras enfermedades (Figura 12.5). Durante la replicación del ADN que contiene 8-oxo-dG, la adenina se incorpora con mayor frecuencia frente a la lesión. Después de la replicación, el 8-oxo-dG se escinde durante el proceso de reparación y se incorpora una timina en su lugar. Por tanto, las mutaciones de 8-oxo-dG dan como resultado típicamente una transversión de G a T.

Figura 12.5 Estrés oxidativo y salud humana. El daño al ADN causado por el estrés oxidativo se ha asociado con muchas enfermedades humanas.

Alquilación de bases

Los agentes alquilantes están muy extendidos en el medio ambiente y también se producen de forma endógena, como subproductos del metabolismo celular. Introducen lesiones en bases de ADN o ARN que pueden ser citotóxicas, mutagénicas o neutrales para la célula. La figura 12.6 muestra los principales sitios reactivos en las bases del ADN que son susceptibles de alquilación. Las lesiones citotóxicas bloquean la replicación, interrumpen la transcripción o señalan la activación de la apoptosis, mientras que las mutagénicas se codifican incorrectamente y causan mutaciones en el ADN recién sintetizado. El tipo más común de alquilación es metilatón con los productos principales que incluyen N7-metilguanina (7meG), N3- metiladenina (3meA) y O6-metilguanina (O6meG). La metilación en cantidades más pequeñas también se produce en otras bases de ADN, e incluye la formación de N1-metiladenina (1meA), N3-metilcitosina (3meC), O4-metiltilmina (O4meT) y metilfosfotriésteres (MPT).

Figura 12.6 Principales sitios de alquilación en el ADN. El diagrama muestra pares de bases de Watson-Crick de ADN con los principales sitios de daño modificados por pequeños agentes alquilantes (metilo y etilo). (A) Sitios de modificación de base por agentes alquilantes SN1 y SN2. El naranja indica los sitios con daños mayores y el verde, los sitios con daños menores. (B) Formación de fosfotriéster indicada por la presencia de grupos metilo, junto con los isómeros Rp y Sp.

Los agentes alquilantes pueden dañar todos los nitrógenos y oxígenos exocíclicos en el ADN y el ARN, así como en los nitrógenos del anillo (figura 12.6A). Sin embargo, el porcentaje de cada sitio de base modificado depende del agente alquilante, la posición en el ADN o ARN y si los ácidos nucleicos son monocatenarios o bicatenarios. Curiosamente, las O-alquilaciones son más mutagénicas y dañinas que las N-alquilaciones, que pueden ser más citotóxicas, pero no tan mutagénicas.

Como exploraremos en el capítulo 13, la metilación del ADN también sirve como un mecanismo importante que regula la expresión génica.

Pérdida base

Un Sitio AP (sitio apurínico / apirimidínico), también conocido como sitio básico, es una ubicación en el ADN (también en el ARN, pero mucho menos probable) que no tiene una base de purina ni de pirimidina, ya sea de forma espontánea o debido al daño del ADN (Figura 12.7). Se ha estimado que en condiciones fisiológicas se pueden generar 10.000 sitios apurínicos y 500 apirimidínicos en una célula al día.

Figura 12.7 Sitios básicos. Los sitios apurínicos y apirimidímicos (AP) se producen debido a la hidrólisis inestable.

Los sitios AP pueden formarse por depurinación espontánea, pero también ocurren como intermediarios en la reparación por escisión de la base, el proceso de reparación descrito en la sección 12.5. Si no se reparan, los sitios AP pueden provocar mutaciones durante la replicación semiconservadora. Pueden provocar el estancamiento de la horquilla de replicación y, a menudo, se pasan por alto síntesis de translesión, que se analiza con mayor detalle en la sección 12.8. En E. coli, la adenina se inserta preferentemente frente a los sitios AP, lo que se conoce como & # 8220A rule & # 8221. La situación es más compleja en eucariotas superiores, con diferentes nucleótidos que muestran una preferencia según el organismo y las condiciones ambientales.

Formación de aductos voluminosos

Algunos productos químicos son biológicamente reactivos y formarán enlaces covalentes con moléculas biológicas como el ADN y las proteínas creando grandes aductos voluminosos, o apéndices, que se ramifican de la molécula principal. Usaremos el mutágeno / carcinógeno, benzo [a] pireno, como ejemplo de este proceso.

Benzo [a] pireno es un hidrocarburo aromático policíclico que se forma durante la combustión incompleta de materia orgánica a temperaturas entre 300 ° C (572 ° F) y 600 ° C (1,112 ° F). El omnipresente compuesto se puede encontrar en el alquitrán de hulla, el humo del tabaco y muchos alimentos, especialmente carnes a la parrilla. Benzo [a] pireno es en realidad un procarcinógeno que necesita ser activado biológicamente por el metabolismo antes de que forme un metabolito reactivo (Figura 12.8) Normalmente, cuando el cuerpo está expuesto a moléculas extrañas, inicia un proceso metabólico que hace que la molécula sea más hidrófila y más fácil de eliminar como producto de desecho. Desafortunadamente, en el caso del benzo [a] pireno, el metabolito resultante es un epóxido altamente reactivo que forma un aducto voluminoso preferentemente con residuos de guanina en el ADN. Si no se repara, durante la replicación del ADN generalmente se colocará una adenina frente a la lesión en la molécula hija. La reparación posterior del aducto dará como resultado el reemplazo de la base de guanina dañada por una timina, lo que provocará una mutación de transversión G & # 8211 & gt T.

Figura 12.8 Benzo [a] Activación de pireno y formación de aductos. (A) Benzo [a] pireno se activa biológicamente a un epóxido dihidrodial durante los procesos metabólicos normales. (B) El humo del cigarrillo es una fuente de benzo [a] pireno. (C) El (+) benzo [a] pireno-7,8-dihidrodiol-9,10-epóxido puede formar un aducto de ADN con residuos de guanina. (D) El benzo [a] El aducto de pireno forma una lesión voluminosa que distorsiona la columna vertebral del ADN.

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Reticulación de ADN

Reticulación de ADNOcurre cuando varios agentes exógenos o endógenos reaccionan con dos nucleótidos de ADN, formando un enlace covalente entre ellos. Esta reticulación puede ocurrir dentro de la misma hebra. (intrastrand) o entre hebras opuestas de ADN de doble hebra (entre cadenas) (Figura 12.9). Estos aductos interfieren con el metabolismo celular, como la replicación y transcripción del ADN, provocando la muerte celular.

Figura 12.9 Diagrama esquemático de enlaces cruzados de ADN entre cadenas y entre cadenas.

La luz ultravioleta puede hacer que se formen enlaces cruzados moleculares entre dos residuos de pirimidina, comúnmente dos residuos de timina, que se colocan consecutivamente dentro de una hebra de ADN (Figura 12.10). Dos productos UV comunes son los dímeros de pirimidina de ciclobutano (CPD) y los fotoproductos 6–4. Estas lesiones premutagénicas alteran la estructura y posiblemente el apareamiento de bases. Pueden ocurrir hasta 50 a 100 reacciones de este tipo por segundo en una célula de la piel durante la exposición a la luz solar, pero por lo general se corrigen en segundos mediante la reactivación de la fotoliasa o la reparación por escisión de nucleótidos. Las lesiones no corregidas pueden inhibir las polimerasas, provocar una lectura incorrecta durante la transcripción o la replicación o provocar la detención de la replicación. Los dímeros de pirimidina son la causa principal de melanomas en humanos.

Figura 12.10 Roturas de ADN bicatenario y formación de dímero de timina (a) La radiación ionizante, como los rayos X y los rayos γ, contienen suficiente energía para causar roturas de una o dos hebras en la columna vertebral del ADN. (b) La energía de la radiación no ionizante, como la luz ultravioleta, es absorbida directamente por el ADN, lo que hace que los residuos de timina adyacentes dentro de una sola hebra de ADN se entrecrucen. (c) un dímero 6,4 que forma un enlace covalente simple y (d) dímero de timina-timina ciclobutano que forma dos enlaces covalentes entre los residuos de timina.

Roturas de hebras de ADN

La radiación ionizante, como la creada por la desintegración radiactiva o en los rayos cósmicos, provoca roturas en las hebras de ADN (figura 12.10a). La radiación ionizante de bajo nivel puede inducir un daño irreparable al ADN (que conduce a errores de replicación y transcripción necesarios para la neoplasia o puede desencadenar interacciones virales) que conduce al envejecimiento prematuro y al cáncer. Los agentes químicos que forman enlaces cruzados dentro del ADN, especialmente enlaces cruzados entre cadenas, también pueden conducir a roturas de cadenas de ADN si el ADN dañado sufre la replicación del ADN. El ADN reticulado puede hacer que las enzimas topoisomerasas se detengan en el estado de transición cuando la cadena principal del ADN está en el estado escindido. En lugar de aliviar el superenrollamiento y volver a sellar la columna vertebral, la topoisomerasa estancada permanece unida covalentemente al ADN en un proceso llamado catálisis abortiva. Esto conduce a la formación de una rotura monocatenaria en el caso de las enzimas Top1 o roturas bicatenarias en el caso de las enzimas Top2. Las roturas de la doble hebra del ADN debido al estancamiento de la topoisomerasa también pueden ocurrir durante la transcripción del ADN (Figura 12.11). De hecho, catálisis abortivay la formación de roturas de la cadena de ADN durante los eventos transcripcionales puede servir como un sensor de daño dentro de la célula y ayudar a instigar las vías de señalización de la respuesta al daño del ADN que inician los procesos de reparación del ADN.

Figura 12.11 Modelo de topoisomerasa IIB (Rupturas de doble hebra de ADN mediadas por TOP2B durante la transcripción. (Diagrama superior) en el estado de transcripción no inducido, Pol II se detiene entre +25 y +100 desde el sitio de inicio de la transcripción. La pausa se atribuye a diferentes elementos, incluidos los factores de transcripción estabilizadores de pausa, el nucleosoma +1 y la estructura y torsión del ADN. El superenrollamiento positivo antes de Pol II puede requerir la función de TOP2B. (Diagrama medio) La activación de la transcripción inducida por diversos estímulos activa TOP2B para resolver la torsión del ADN en el promotor y el cuerpo del gen. (Diagrama inferior) En este proceso, podrían formarse roturas de doble hebra a partir de una catálisis abortiva de TOP2B, que ocurre con frecuencia en algunos genes. Esto puede ser responsable de la señalización de la respuesta al daño del ADN que se ha observado en varios genes inducibles por estímulos en humanos.

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12.3 Respuesta al estrés celular y al daño del ADN

El daño genético producido por mecanismos endógenos o exógenos representa una amenaza continua para la célula. Para preservar la integridad del genoma, las células eucariotas han desarrollado mecanismos de reparación específicos para diferentes tipos de daño del ADN. Sin embargo, independientemente del tipo de daño, un mecanismo de vigilancia sofisticado, que provoca Puntos de control de daños en el ADN, detecta y señala su presencia a la maquinaria de reparación del ADN. Puntos de control de daños en el ADN se han conservado funcionalmente a lo largo de la evolución eucariota, con la mayoría de los actores relevantes en la respuesta del punto de control altamente conservados desde la levadura hasta los humanos. Se inducen puntos de control para retrasar la progresión del ciclo celular y dar tiempo a las células para reparar el ADN dañado antes de la replicación del ADN (Figura 12.12). Una vez que se repara el ADN dañado, la maquinaria del punto de control activa señales que reanudarán la progresión del ciclo celular. Dentro de las células, múltiples vías contribuyen a la reparación del ADN, pero independientemente de la vía de reparación específica involucrada, tradicionalmente se identifican tres fases de activación del punto de control: (1) Detección de daño, (2) Activación de la cascada de señalización y (3) Encendido aguas abajo efectores. La fase del sensor reconoce el daño y activa la fase de transducción de señales para bloquear la progresión del ciclo celular y seleccionar la vía de reparación adecuada.

En los organismos multicelulares, la respuesta al daño del ADN puede tener dos consecuencias fisiológicas importantes: (1) las células pueden sufrir una detención del ciclo celular, reparar el daño y volver a entrar en el ciclo celular, o (2) las células pueden ser el objetivo de la muerte celular ( apoptosis) y eliminado de la población. El proceso del ciclo celular está altamente conservado y controlado con precisión para gobernar la duplicación y separación del genoma en las células hijas. El ciclo celular consta de cuatro fases distintas y ordenadas, denominadas G0 / G1 (intervalo 1), S (síntesis de ADN), G2 (intervalo 2) y M (mitosis). Existen múltiples puntos de control dentro de cada etapa del ciclo celular para garantizar la replicación fiel del ADN en la fase S y la separación precisa de los cromosomas en células hijas. Las fases G1 y G2 son puntos de control regulatorios críticos, por lo que el punto de restricción entre la fase G1 y S determina si las células entran en la fase S o salen del ciclo celular para detenerse en la fase G0. La progresión del ciclo celular requiere la actividad quinasas dependientes de ciclina (CDK), un grupo de serina / treonina quinasas. Las CDK se activan cuando forman complejos con proteínas reguladoras de ciclina que se expresan específicamente en diferentes etapas del ciclo celular. Las ciclinas se unen a las CDK y las estabilizan en su conformación activa. La formación de ciclina / CDK controla la progresión del ciclo celular a través de la fosforilación de los genes diana, como la proteína supresora de tumores retinoblastoma (Rb).

Durante el daño del ADN, el ciclo celular se detiene o bloquea por la acción de los inhibidores de quinasas dependientes de ciclina. Como se observa en la figura 12.12, se trata de una cascada de transducción de señales complicada que tiene varios efectos descendentes. Una función principal de la detención del ciclo celular es que la inhibición de CDK da tiempo para la reparación del ADN antes de la progresión del ciclo celular a la fase S o mitosis. Como se muestra en la figura 12.12, dos puntos de control principales del ciclo celular responden al daño del ADN: ocurren antes y después de la síntesis de ADN en las fases G1 y G2, respectivamente, e inciden en la actividad de complejos CDK específicos. El punto de control quinasas fosfatidilinositol 3-quinasas (PI3K)-like protein kinases (PI3KKs) ataxia telangiectasia y la proteína relacionada con Rad3 (ATR) o ataxia telangiectasia mutada (ATM), y el transductor checkpoint quinasas CHK1 (codificado por el gen CHEK1) y CHK2 (codificados por el gen CHEK2) son reguladores clave de la señalización del daño del ADN. La señalización del daño del ADN es detectada por ATM / ATR, que luego fosforila y activa CHK2 / CHK1, respectivamente. La CHK2 activada está involucrada en la activación de p53, lo que lleva a la detención de G1 en la fase temprana dependiente de p53 para dar tiempo a la reparación del ADN. La activación de p53 induce la expresión del gen p21 CIP1 del inhibidor de quinasa dependiente de ciclina (CKI), lo que conduce a la inhibición de los complejos de ciclina E / CDK2 y la consiguiente regulación positiva de la maquinaria de reparación del ADN.

Si la reparación del ADN no se puede completar con éxito o las células no pueden programarse para responder a las tensiones de la detención del ciclo celular viable, las células se enfrentan al destino de la apoptosis inducida por p53. La CHK1 activada media la detención temporal de la fase S a través de la fosforilación para inactivar CDC25A, provocando ubiquitinación y proteólisis. Además, la CHK1 activada fosforila e inactiva CDC25C, lo que lleva a la detención del ciclo celular en la fase G2. La CHK1 activa también estimula directamente la fosforilación de WEE1, lo que aumenta la fosforilación inhibitoria de Tyr15 de CDK2 y CDK1 y el bloqueo subsiguiente del ciclo celular en la fase G2. La actividad de WEE1 también puede ser estimulada por los bajos niveles de actividad de CDK en la fase del ciclo celular G2. El SAC, también conocido como punto de control mitótico, funciona como monitor de la correcta unión de los cromosomas al huso mitótico en metafase, que está regulado por la proteína quinasa TTK (TTK, también conocida como huso monopolar 1 (MPS1)). La activación de SAC induce transitoriamente la detención del ciclo celular mediante la inhibición de la activación de APC / C. Para establecer y mantener el punto de control mitótico, la TTK recluta muchas proteínas del punto de control a los cinetocoros durante la mitosis mediante la fosforilación de sus sustratos para garantizar una segregación cromosómica adecuada y una integridad genómica. De esta manera, la inestabilidad genómica de los defectos de segregación cromosómica está protegida por SAC. Una vez que se pasa el SAC, el complejo de ligasa APC / C E3 estimula y marca la ciclina B y la securina para la degradación mediada por ubiquitina, lo que lleva al inicio de la mitosis. En una palabra, los puntos de control ofrecen un mecanismo a prueba de fallos para garantizar la integridad genómica de la célula parental a la hija. La cascada de transducción de señales de la activación del punto de control eventualmente converge a la inhibición de CDK, lo que indica que la función de CDK es un impulsor clave de la progresión del ciclo celular.

Figura 12.12 Destinos de células después de daños en el ADN. Los puntos de control del ciclo celular son inducidos por el daño del ADN, que se muestra en rojo. Inhibidores de quinasas dependientes de ciclina (CIP / KIP), que se muestran en púrpura, bloquean la progresión del ciclo celular en todas las fases del ciclo celular (G1, S, G2 o M) después del daño del ADN al inhibir los complejos de quinasas dependientes de ciclina (mostrados en verde ). Las cascadas de señalización activadas en respuesta al daño del ADN también provocan vías de reparación del ADN, o si el daño del ADN es severo, se activará la muerte celular programada (apoptosis).

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Además de bloquear la progresión del ciclo celular, los sensores de daño del ADN también activan los mecanismos de reparación del ADN que son específicos para el tipo de daño presente. Por ejemplo, las roturas de ADN de una sola hebra se reparan principalmente mediante reparación por escisión de base, los aductos de ADN voluminosos y los enlaces cruzados se reparan mediante reparación por escisión de nucleótidos y las mutaciones de nucleótidos más pequeñas, como la alquilación, se reparan mediante reparación de desajuste. Las células también tienen dos mecanismos principales para reparar roturas de doble hebra (DSB). Incluyen unión de extremos no homólogos (NHEJ) y recombinación homóloga (HR). Si el daño es demasiado extenso para ser reparado, se desencadenarán vías apoptóticas. En las siguientes secciones, se proporcionarán detalles sobre las principales vías de reparación del ADN.

12.4 Reparación de desajustes

La reparación de errores de emparejamiento de ADN (MMR) es un sistema de reparación de ADN altamente conservado (tabla 12.2) que contribuye en gran medida a mantener la estabilidad del genoma mediante la corrección de pares de bases mal emparejados y pequeñas modificaciones de bases de ADN, como la alquilación. La principal fuente de pares de bases no coincidentes es el error de replicación, aunque también puede surgir de otros procesos biológicos. Por tanto, la maquinaria MMR debe tener un mecanismo para determinar qué hebra del ADN es la hebra molde y qué hebra se ha sintetizado recientemente. En E. coli, la metilación del ADN es una modificación post-replicativa común que ocurre. Por tanto, en el ADN recién sintetizado, la hebra no metilada se reconoce como la nueva hebra y la hebra metilada se utiliza como molde para reparar los desajustes. En E. coli, La MMR aumenta la precisión de la replicación del ADN entre 20 y 400 veces. Las mutaciones y el silenciamiento epigenético en los genes MMR se han implicado en hasta el 90% de los cánceres de colon hereditarios humanos sin poliposis, lo que indica la importancia de este sistema de reparación para mantener la estabilidad genómica. La MMR posreplicativa se realiza mediante el mecanismo de MMR de parche largo en el que están implicadas múltiples proteínas y se escinde un tracto relativamente largo del oligonucleótido durante la reacción de reparación. Por el contrario, tipos particulares de pares de bases no emparejados se reparan mediante MMR de parche muy corto en el que se escinde un tracto de oligonucleótidos corto para eliminar la lesión.

Tabla 12.2 Enzimas reparadoras no coincidentes en bacterias, levaduras y seres humanos

Actualmente, se han dilucidado dos tipos de mecanismos de MMR: se espera que uno sea empleado por eucariotas y la mayoría de bacterias, y el otro es específico para E. coli y bacterias estrechamente relacionadas. Como se muestra en las Figuras 12.13 (a) y 12.13 (b), MMR en eucariotas y la mayoría de las bacterias dirige la reparación a la hebra que contiene errores del dúplex no emparejado reconociendo las discontinuidades de la hebra. Por otro lado, como se muestra en la Figura 12.13 (c), E. coli MMR lee la ausencia de metilación como una señal de discriminación de cadena. En ambos sistemas MMR, la discriminación de las cadenas se realiza mediante el corte de endonucleasas. Los homólogos de MutL de eucariotas y la mayoría de las bacterias hacen una incisión en la hebra discontinua para introducir el punto de entrada o terminación de la reacción de escisión. En E. coli, MutH corta la hebra no metilada del dúplex para generar el punto de entrada de la escisión. Después de la escisión de la hebra dañada o mal emparejada, las helicasas (como UvrD) y exonucleasas (como ExoI) escinden una región corta de nucleótidos de la hebra dañada. El ADN pol III o el ADN pol δ rellena el espacio y el ADN ligasa repara el esqueleto.

Figura 12.13 Una representación esquemática de los modelos de la vía MMR. (a) MMR eucariota. Un desajuste de ADN se genera por la incorporación incorrecta de una base durante la replicación del ADN. MutSα reconoce los desajustes base-base. MutLα corta el lado 3 & # 8242- o 5 & # 8242 de la base no coincidente en la hebra discontinua. El segmento de ADN resultante es escindido por la exonucleasa EXO1, en cooperación con la proteína de unión al ADN monocatenario RPA. La hebra de ADN se resintetiza mediante la ADN polimerasa δ y la ADN ligasa. (b) MMR en mutH-bacterias sin. MutS reconoce las bases que no coinciden. Después de la incisión de la hebra discontinua por MutL, la hebra de ADN que contiene el error es eliminada por las funciones cooperativas de las helicasas de ADN, como UvrD, las exonucleasas RecJ y ExoI, y la proteína de unión a ADN monocatenaria SSB. La ADN polimerasa III y la ADN ligasa llenan el espacio para completar la reparación. (C) E. coli MMR. MutS reconoce bases que no coinciden y MutL interactúa con el complejo y lo estabiliza. Luego, se activa la endonucleasa MutH para hacer una incisión en el sitio GATC no metilado para crear un punto de entrada para la reacción de escisión. La ADN helicasa, una proteína de unión al ADN de una sola hebra, y varias exonucleasas están involucradas en la reacción de escisión.

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12.5 Reparación de escisión de base

La mayoría de las bases oxidadas se eliminan del ADN mediante enzimas que operan dentro de la vía de reparación por escisión de bases (BER). Las roturas del ADN monocatenario también se pueden reparar mediante este proceso. La eliminación de bases oxidadas en el ADN es bastante rápida. Por ejemplo, 8-oxo-dG se incrementó 10 veces en los hígados de ratones sometidos a radiación ionizante, pero el exceso de 8-oxo-dG se eliminó con una vida media de 11 minutos. La 8-oxoG es escindida por la 8-oxoguanina ADN glicosilasa (OGG1) dejando un sitio apurínico (sitio AP) (Figura 12.14). A continuación, los sitios AP se procesan adicionalmente en roturas de hebra única a través de la incisión del esqueleto de AP-endonucleasa 1 (APE1). En la reparación por escisión de la base del parche largo, la base y algunos nucleótidos adicionales se reemplazan dependiendo de la actividad de la polimerasa delta (Polδ) y épsilon (Polε) junto con el antígeno nuclear celular en proliferación (PCNA). La hebra vieja es eliminada por Flap-endonucleasa 1 (FEN1), antes de que la ligasa I (LigI) vuelva a ligar la cadena principal. La reparación por escisión de la base del parche corto consiste en que la polimerasa beta (Polβ) reemplaza la base única que falta, la ligasa III (LigIII) liga la columna vertebral del ADN y la proteína de complemento cruzado de reparación de rayos X 1 (XRCC1) ayuda al proceso y sirve como un andamio para factores adicionales.

Figura 12.14 Reparación de escisión de base. Reparación de escisión de base (BER) de 8-oxo-7,8-dihidroguanina (8-oxoG). El daño oxidativo del ADN se repara a través de varios intermedios de reparación mediante la reparación por escisión de bases (BER). Mediante la eliminación de la base oxidada, se forma un sitio apurínico reactivo (sitio AP). La incisión de la hebra crea una rotura de hebra única, y luego el sitio dañado se repara con un parche BER corto o largo.

12.6 Reparación por escisión de nucleótidos

Los aductos de ADN voluminosos y los enlaces cruzados de ADN, como los causados ​​por la luz ultravioleta, se reparan mediante las vías de reparación por escisión de nucleótidos (NER). En células eucariotas superiores, NER escinde fragmentos de ADN de 24-32 nucleótidos que contienen la lesión dañada con extrema precisión. La síntesis reparadora utilizando la hebra no dañada como plantilla, seguida de la ligadura de la rotura de la hebra sencilla que surgió como resultado del daño, es la etapa final de la reparación del ADN. El proceso implica la acción coordinada de aproximadamente 30 proteínas que forman sucesivamente complejos de composición variable en el ADN. NER consta de dos vías distintas en términos de reconocimiento inicial de daños. Reparación global por escisión de nucleótidos del genoma (GG-NER) detecta y elimina daños voluminosos en todo el genoma, incluidas las regiones no transcritas y la cromatina silenciosa, mientras reparación por escisión de nucleótidos acoplada a la transcripción (TC -NER) opera cuando el daño a una cadena de ADN transcrito limita la actividad de transcripción. TC-NER se activa por el estancamiento de la ARN polimerasa II en los sitios dañados de una hebra transcrita, mientras que GG-NER está controlado por la proteína XPC, un factor proteico especializado que revela el daño. En la Figura 12.15 se presenta un proceso esquemático de GG-NER.

Figura 12.15 Esquema de reparación por escisión de nucleótidos del genoma global.

Las mutaciones genéticas en los genes de la vía NER pueden dar lugar a patologías sensibles a los rayos ultravioleta y altamente cancerígenas, como xeroderma pigmentoso (XP), síndrome de Cockayne (CS) y tricotiodistrofia (TTD), así como algunas manifestaciones neurodegenerativas.

Xeroderma pigmentosum ha proporcionado los nombres de algunos de los genes implicados en NER. La mutación de los genes XP y la pérdida de la función NER adecuada causan los síntomas asociados con la enfermedad. Las personas con XP tienen una capacidad deteriorada para reparar aductos y enlaces cruzados de ADN voluminosos, como los dímeros de timina que son causados ​​por la exposición a la luz ultravioleta.Las personas que padecen XP tienen una fotosensibilidad extrema, atrofia de la piel, hiperpigmentación y una alta tasa de cáncer de piel inducido por la luz solar (Figura 12.16). El riesgo de tumores internos en pacientes con XP también es 1.000 veces mayor. Además, la enfermedad a menudo se asocia con trastornos neurológicos. Actualmente, no existe un tratamiento eficaz para este trastorno.

Figura 12.16 Una niña de ocho años de Guatemala con Xeroderma Pigmentosum. Imagen frontal del rostro que muestra grandes lesiones hiperqueratósicas con cierta induración sospechosas de queratosis actínica y carcinoma epidermoide precoz. También numerosos lentigos hiperpigmentados y xerosis en toda la parte frontal del rostro. Es evidente la cicatrización y la inyección marcadas de la córnea.

La detección de lesiones voluminosas de ADN durante la NER es particularmente desafiante para una célula, que solo puede resolverse mediante un reconocimiento altamente sensible que requiere múltiples componentes proteicos. A diferencia de BER, donde una base dañada es reconocida y eliminada simultáneamente por una única glicosilasa especializada, grupos especializados de proteínas son responsables del reconocimiento de la lesión y la escisión de la lesión en NER. En la NER eucariota, las proteínas sensoras universales realizan el reconocimiento inicial de la gama total de daños voluminosos. En el caso de TC-NER, ocurre cuando la ARN polimerasa II de transcripción se detiene por daño en GG-NER, estos son complejos del factor XPC y heterodímero DDB1-DDB2 (factor XPE) que mejoran la reparación del daño UV (Fig 12.15 ). En general, el reconocimiento del daño por NER es un proceso de varios pasos que involucra a varias proteínas que forman complejos cercanos a los dañados de composiciones variables. El proceso se completa con la formación de un complejo de preincisión listo para eliminar un fragmento de ADN dañado mediante endonucleasas NER especializadas.

En una célula eucariota después de la formación estable del complejo XPC / ADN durante el reconocimiento inicial del daño, la NER en realidad la realiza un reparador, que es un complejo de composición y arquitectura variable que consta de un gran número de subunidades. Las subunidades individuales del complejo no tienen suficiente afinidad y selectividad por el sustrato (ADN que contiene daño voluminoso). La situación cambia cuando se establecen complejos de proteínas específicos en el sitio del daño. Las proteínas NER de estos complejos se unen mediante el procesamiento del ADN. Se debe colocar con precisión un total de 18 polipéptidos dentro de dos o tres vueltas de ADN cuando se forma una estructura estable lista para la eliminación del daño y comienza la escisión. La estructura de las proteínas asociadas a NER proporciona la posibilidad de contacto con el sustrato de ADN y de interacciones dinámicas proteína-proteína específicas. Los cambios en las interacciones que realiza la misma proteína son uno de los mecanismos que regulan el proceso de reparación y afinan los complejos, proporcionando una reparación por escisión de nucleótidos de alta precisión.

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12.7 Reparación de roturas de ADN bicatenario

Las células han desarrollado dos vías principales para reparar roturas de doble hebra dentro del ADN: la vía de unión de extremos no homólogos (NHEJ), que asegura el resellado directo de los extremos del ADN y la vía de recombinación homóloga (HR)que se basa en la presencia de secuencias de ADN homólogas para la reparación de DSB (Figura 2.16)

La reparación de NHEJ es el mecanismo más simple y más ampliamente utilizado para reparar las DSB que ocurren en el ADN. La reparación por NHEJ implica el resellado directo de los dos extremos rotos independientemente de la homología de secuencia. Aunque es activo durante todo el ciclo celular, NHEJ es relativamente más importante durante la fase G1. Las proteínas requeridas para NHEJ incluyen, pero no se limitan a, el complejo heterodimérico Ku70 / Ku80 altamente conservado, la subunidad catalítica de proteína quinasa dependiente de ADN (ADN-PKcs) y la ADN ligasa IV (LIG4) en complejo con XRCC4. Al unirse directamente a los extremos del ADN, Ku70 / Ku80 asegura la protección contra exonucleasas y, como tal, actúa como inhibidor de la HR. Es probable que las homologías de secuencias muy cortas ayuden a la alineación de los extremos del ADN antes de la reparación dependiente de NHEJ, sin embargo, no son estrictamente necesarias. NHEJ protege la integridad genética al volver a unir las hebras de ADN rotas que de otro modo podrían perderse durante la replicación del ADN y la regeneración celular. Sin embargo, durante el proceso de NHEJ, pueden ocurrir inserciones o deleciones dentro de las regiones unidas (Fig. 2.16).

Figura 2.16 Principales vías de reparación de rotura de ADN bicatenario. Las vías de unión de extremos no homólogos (NHEJ) y de recombinación homóloga (HR) actúan de forma competitiva para reparar roturas de doble hebra del ADN (DSB). Se representan los actores clave de NHEJ y HR. El complejo MRE11 / RAD50 / XRS2 (MRX) se recluta muy temprano en los extremos del ADN y parece desempeñar funciones importantes tanto para NHEJ como para HR. El heterodímero Ku70 / Ku80 es necesario para el NHEJ y, mediante la inhibición de la resección del extremo del ADN (5′-3 ′ exo), actúa como represor de la HR. La fidelidad de la reparación de DSB dependiente de NHEJ es baja y, la mayoría de las veces, está asociada con deleciones y / o inserciones de nucleótidos en las uniones de reparación. El primer paso común de los mecanismos dependientes de la HR es la formación de ssDNA que luego se recubre con la proteína de replicación A (RPA). El mecanismo de recocido de una sola hebra (SSA) requiere la presencia de repeticiones directas (mostradas en naranja) en ambos lados de la rotura. SSA no implica ningún proceso de invasión de cadena y, por lo tanto, no depende de la proteína RAD51. Sin embargo, la invasión de la hebra y la formación del bucle D son pasos habituales de los mecanismos de disolución de hibridación de hebra dependiente de síntesis (SDSA) y unión de doble Holliday (HJ). En este último caso, los cruces dobles de Holliday se resuelven con o sin cruce.

A diferencia de NHEJ, la recombinación homóloga (HR) requiere una secuencia de ADN homóloga que sirva como molde para la reparación dependiente de la síntesis de ADN e implica un procesamiento extenso del extremo del ADN. Como era de esperar, la HR es extremadamente precisa, ya que conduce a una reparación precisa del locus dañado utilizando secuencias de ADN homólogas a los extremos rotos. HR utiliza predominantemente la cromátida hermana como plantilla para la reparación de DSB, en lugar del cromosoma homólogo. En consecuencia, la HR se inhibe en gran medida mientras las células están en la fase G1 del ciclo celular, cuando la cromátida hermana aún no se ha replicado (Fig. 2.17A). Los mecanismos de reparación de HR juegan un papel más importante en la reparación de DSB que ocurre después de la replicación del ADN en fase S (fase S, G2 y M).

La reparación a través de HR no está definida por un mecanismo único, sino que opera a través de varios procesos de reparación de DSB mecánicamente distintos, incluido el recocido de hebra dependiente de síntesis (SDSA), la resolución de la unión de Holliday doble y el recocido de hebra simple (SSA). El paso común para los mecanismos de reparación de DSB dependientes de HR es la formación inicial de ADN monocatenario (ssDNA) para el emparejamiento con secuencias de plantilla de ADN homólogas. Para que esto ocurra, la cadena de ADN 5 & # 8242 en el DSB es procesada por múltiples nucleasas y proteínas accesorias para crear una sección de ssDNA 3 & # 8242 que puede usarse como plantilla para la recombinación (Fig. 2.16).

La figura 2.17B ofrece una visión más detallada del proceso de RR.HH. Durante el proceso altamente regulado de RR.HH., se pueden distinguir tres fases principales. En primer lugar, los extremos del ADN monocatenario en 3 '(ssDNA) se generan por degradación nucleolítica de las cadenas 5'. Este primer paso está catalizado por endonucleasas, incluido el complejo MRN (que consta de Mre11, Rad50 y Nbs1). En un segundo paso, los extremos del ssDNA se recubren con filamentos de proteína de replicación A (RPA). En un tercer paso, RPA es reemplazado por Rad51 en un proceso dependiente de BRCA1 y BRCA2, para finalmente realizar la reacción de recombinasa usando una plantilla de ADN homóloga.

Es importante destacar que la HR no solo se emplea para reparar las lesiones del ADN inducidas por agentes que dañan el ADN, sino que también es esencial para la segregación cromosómica adecuada durante la meiosis. La relevancia de la HR en estos procesos fisiológicos queda ilustrada por su estricto requisito durante el desarrollo. Ratones que carecen de genes HR clave, como Brca1, Brca2, o Rad51, presentan extensas alteraciones genéticas que conducen a una letalidad embrionaria temprana. Mientras que la inactivación homocigótica de genes HR suele ser letal para el embrión, la inactivación heterocigótica de, por ejemplo, BRCA1 y BRCA2, no interfiere con la viabilidad celular, sino que predispone a las personas al cáncer, incluido el cáncer de mama y de ovario. Los tumores que se desarrollan en individuos con heterocigotos BRCA1 / 2 las mutaciones invariablemente pierden su segundo BRCA1 / 2 alelo, lo que indica que en ciertos cánceres, la ausencia de BRCA1 / 2 es compatible con la proliferación celular. Actualmente, no se comprende por completo cómo exactamente estos tumores hacen frente a su defecto de FC.

Figura 2.17 Reparación de rotura de doble hebra de ADN (DSB). (A) Los DSB de ADN reparan las vías en el contexto de la regulación del ciclo celular. La unión de extremos no homólogos (NHEJ) se puede realizar durante todo el ciclo celular y se indica con la línea roja. La recombinación homóloga (HR) solo se puede emplear en las fases S / G2 del ciclo celular y se indica en verde. (B) Se indican los pasos clave en la vía de reparación de la frecuencia cardíaca. Después del reconocimiento de DSB, el complejo MRN (Mre11, Rad50, Nbs1) y CtIP inicia la resección del extremo 5′-3 ′. Posteriormente, se lleva a cabo una resección adicional por las proteínas Exo1, DNA2 y Sgs1 para asegurar una resección "mantenida". Luego, los extremos del ADN resecados se unen mediante la proteína de replicación A (RPA). El paso de recombinación real dentro de la reparación de HR, denominado intercambio de hebras, es ejecutado por la recombinasa Rad51. Rad51 reemplaza a RPA para eventualmente ensamblar filamentos de nucleoproteína helicoidales llamados "filamentos presinápticos.'Este proceso se ve facilitado por otros componentes de recursos humanos, incluidos BRCA1 y BRCA2. El paso final de la resolución de la unión es ejecutado por helicasas que incluyen el síndrome de Bloom, helicasa de tipo helicasa RecQ (BLM).

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12.8 Síntesis de translesión y derivación propensa a errores

Si el ADN no se repara antes de la replicación del ADN, la célula debe emplear otra estrategia para replicar el ADN, incluso en presencia de una lesión de ADN. Esto es importante para evitar causar roturas en el ADN de doble hebra que pueden ocurrir cuando un replisoma se detiene en la bifurcación de replicación. En estas circunstancias, otra estrategia que utilizan las células para responder al daño del ADN es evitar las lesiones que se encuentran durante la replicación del ADN y continuar con el proceso de replicación. La derivación del daño del ADN puede ocurrir mediante mecanismos de recombinación o mediante un mecanismo novedoso llamado síntesis de translesión. Síntesis de translesiónemplea una ADN polimerasa alternativa que puede sustituir a una ADN polimerasa que se ha estancado en la bifurcación de replicación debido al daño del ADN. Las ADN polimerasas especializadas, que están activas en regiones con daño en el ADN, tienen sitios activos que pueden adaptarse a las fluctuaciones en la topografía del ADN que les permiten evitar las lesiones y continuar con el proceso de replicación.

La evolución de las ADN polimerasas que pueden tolerar la presencia de lesiones de ADN distorsionadas y continuar con el proceso de replicación se puede ver en todos los niveles de la vida, desde los organismos unicelulares procariotas hasta los organismos multicelulares eucariotas, incluidos los humanos. De hecho, dentro de los vertebrados, ha habido una gran expansión de las ADN polimerasas que juegan un papel en los mecanismos de derivación del daño del ADN y resaltan la importancia de estos procesos en la tolerancia al daño y la supervivencia celular (Tabla 12.3).

Tabla 12.3 ADN polimerasas involucradas en el bypass propenso a errores

La actividad de las ADN polimerasas propensas a errores está estrictamente regulada para evitar la introducción desenfrenada de mutaciones dentro de la secuencia de ADN. Uno de los principales mecanismos que se emplea dentro de un replisoma que se detiene en la bifurcación de replicación debido al daño del ADN, implica la monoubiquitinación de PCNA. Recuerde del Capítulo 9, que el PCNA es la abrazadera deslizante que permite que la ADN polimerasa se una lo suficientemente estrechamente con el ADN durante la replicación para mediar en la síntesis de ADN eficiente. La monoubiquitinación de PCNA permite el reclutamiento de una translesión de ADN polimerasas y el bypass de las lesiones dañadas durante la síntesis de ADN.

Durante la síntesis de translesión, la polimerasa debe insertar un dNTP opuesto a la lesión. Es probable que ninguna de las bases de dNTP pueda formar interacciones estables de puentes de hidrógeno con la lesión dañada. Por lo tanto, el nucleótido que causa la menor distorsión o repulsión generalmente se agregará frente a la lesión. Esto puede provocar que se produzcan mutaciones de transición o transversión en el lugar de la lesión. Alternativamente, las polimerasas de translesión pueden ser propensas al deslizamiento y causar una mutación de inserción o deleción en la vecindad de la lesión de ADN. Estos deslizamientos pueden conducir a mutaciones de cambio de marco si ocurren dentro de las regiones de codificación de genes. Por tanto, a lo largo de la vida, la síntesis de translesiones en organismos multicelulares puede conducir a una acumulación de mutaciones dentro de las células somáticas y provocar la formación de tumores y la enfermedad del cáncer.

La evolución por selección natural también es posible debido a mutaciones aleatorias que ocurren dentro de las células germinales. Ocasionalmente, las mutaciones de la línea germinal pueden conducir a una mutación beneficiosa que mejora la supervivencia de un individuo dentro de una población. Si este gen demuestra mejorar la supervivencia de la población, se seleccionará con el tiempo dentro de la población y provocará la evolución de esa especie. Un ejemplo de mutación beneficiosa es el caso de una población de personas que muestran resistencia a la infección por VIH. Desde que se notificó el primer caso de infección por el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) en 1981, casi 40 millones de personas han muerto a causa de la infección por el VIH, el virus que causa el síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA). El virus se dirige a las células T auxiliares que desempeñan un papel clave en unir la respuesta inmune innata y adaptativa, infectando y matando las células que normalmente participan en la respuesta del cuerpo a la infección. No existe cura para la infección por VIH, pero se han desarrollado muchos medicamentos para ralentizar o bloquear la progresión del virus. Aunque las personas de todo el mundo pueden estar infectadas, la prevalencia más alta entre las personas de 15 a 49 años se da en África subsahariana, donde casi una de cada 20 personas está infectada, lo que representa más del 70% de las infecciones en todo el mundo (Figura 2.18). Desafortunadamente, esto también es una parte del mundo donde las estrategias de prevención y los medicamentos para tratar la infección son las más deficientes.

Figura 2.18 El VIH tiene una alta prevalencia en África subsahariana, pero su prevalencia es bastante baja en algunas otras partes del mundo.

En los últimos años, se ha despertado el interés científico por el descubrimiento de algunas personas del norte de Europa que son resistentes a la infección por VIH. En 1998, el genetista estadounidense Stephen J. O’Brien de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) y sus colegas publicaron los resultados de su análisis genético de más de 4.000 individuos. Estos indicaron que muchos individuos de ascendencia euroasiática (hasta un 14% en algunos grupos étnicos) tienen una mutación por deleción, denominada CCR5-delta 32, en el gen que codifica CCR5. CCR5 es un correceptor que se encuentra en la superficie de las células T y es necesario para que muchas cepas del virus ingresen a la célula huésped. La mutación conduce a la producción de un receptor al que el VIH no puede unirse eficazmente y, por tanto, bloquea la entrada del virus. Las personas homocigotas para esta mutación tienen una susceptibilidad muy reducida a la infección por VIH, y las heterocigotas también tienen cierta protección contra la infección.

No está claro por qué las personas de ascendencia del norte de Europa, específicamente, portan esta mutación, pero su prevalencia parece ser más alta en el norte de Europa y disminuye constantemente en las poblaciones a medida que uno se mueve hacia el sur. Las investigaciones indican que la mutación ha estado presente desde antes de que apareciera el VIH y puede haber sido seleccionada en poblaciones europeas como resultado de la exposición a la peste o la viruela. Esta mutación puede proteger a las personas de la peste (causada por la bacteria Yersinia pestis) y viruela (causada por el virus variólico) porque este receptor también puede estar involucrado en estas enfermedades. La edad de esta mutación es un tema de debate, pero las estimaciones sugieren que apareció entre 1875 y 225 años atrás, y puede haberse propagado desde el norte de Europa a través de invasiones vikingas.

Este emocionante hallazgo ha llevado a nuevas vías en la investigación del VIH, incluida la búsqueda de medicamentos para bloquear la unión de CCR5 al VIH en personas que carecen de la mutación. Aunque es posible realizar pruebas de ADN para determinar qué individuos portan la mutación CCR5-delta 32, existen casos documentados de individuos homocigotos para la mutación que contraen el VIH. Por esta razón, los funcionarios de salud pública no recomiendan ampliamente las pruebas de ADN para detectar la mutación, a fin de no fomentar un comportamiento de riesgo en quienes portan la mutación. No obstante, la inhibición de la unión del VIH a CCR5 sigue siendo una estrategia válida para el desarrollo de terapias farmacológicas para las personas infectadas por el VIH.

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12.9 Problemas de práctica

Opción multiple

¿Cuál de los siguientes es un cambio en la secuencia que conduce a la formación de un codón de terminación?

  1. mutación sin sentido
  2. mutación sin sentido
  3. mutación silenciosa
  4. mutación por deleción

[revel-answer q = ”745512 ″] Mostrar respuesta [/ revel-answer]
[respuesta oculta a = ”745512 ″] Respuesta b. Una mutación sin sentido es un cambio en la secuencia que conduce a la formación de un codón de terminación. [/ Hidden-answer]

¿La formación de dímeros de pirimidina resulta de cuál de los siguientes?

  1. Errores espontáneos por ADN polimerasa.
  2. exposición a la radiación gamma
  3. exposición a la radiación ultravioleta
  4. exposición a agentes intercalantes

[revel-answer q = ”709151 ″] Mostrar respuesta [/ revel-answer]
[respuesta oculta a = ”709151 ″] Respuesta c. La formación de dímeros de pirimidina resulta de la exposición a la radiación ultravioleta. [/ Hidden-answer]

¿Cuál de los siguientes es un ejemplo de una mutación de cambio de marco?

  1. una deleción de un codón
  2. mutación sin sentido
  3. mutación silenciosa
  4. deleción de un nucleótido

[revel-answer q = ”688366 ″] Mostrar respuesta [/ revel-answer]
[respuesta oculta a = ”688366 ″] Respuesta a. La eliminación de un nucleótido es un ejemplo de una mutación por desplazamiento de marco. [/ Hidden-answer]

¿Cuál de los siguientes es el tipo de reparación del ADN en el que los dímeros de timina son degradados directamente por la enzima fotoliasa?

  1. reparación directa
  2. reparación por escisión de nucleótidos
  3. reparación de desajustes
  4. corrección de pruebas

[revel-answer q = ”755583 ″] Mostrar respuesta [/ revel-answer]
[respuesta oculta a = ”755583 ″] Respuesta a. En una reparación directa, los dímeros de timina son degradados directamente por la enzima fotoliasa. [/ Hidden-answer]

¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la prueba de Ames es verdadera?

  1. Se utiliza para identificar mutantes auxotróficos recién formados.
  2. Se utiliza para identificar mutantes con actividad biosintética restaurada.
  3. Se utiliza para identificar mutantes espontáneos.
  4. Se utiliza para identificar mutantes que carecen de actividad de fotorreactivación.

[revel-answer q = ”770537 ″] Mostrar respuesta [/ revel-answer]
[respuesta oculta a = ”770537 ″] Respuesta b. Se utiliza para identificar mutantes con actividad biosintética restaurada. [/ Hidden-answer]

Complete el espacio en blanco

Un mutágeno químico que es estructuralmente similar a un nucleótido pero tiene diferentes reglas de emparejamiento de bases se llama ________.

[revel-answer q = ”702924 ″] Mostrar respuesta [/ revel-answer]
[hidden-answer a = ”702924 ″] Un mutágeno químico que es estructuralmente similar a un nucleótido pero tiene diferentes reglas de emparejamiento de bases se denomina análogo de nucleósido. [/ respuesta-oculta]

La enzima que se usa en la reparación de la luz para dividir los dímeros de timina se llama ________.

[revel-answer q = ”939657 ″] Mostrar respuesta [/ revel-answer]
[hidden-answer a = ”939657 ″] La enzima utilizada en la reparación de la luz para dividir los dímeros de timina se llama fotoliasa. [/ respuesta-oculta]

El fenotipo de un organismo que se observa con mayor frecuencia en la naturaleza se llama ________.

[revel-answer q = ”640686 ″] Mostrar respuesta [/ revel-answer]
[hidden-answer a = ”640686 ″] El fenotipo de un organismo que se observa con mayor frecuencia en la naturaleza se llama tipo salvaje. [/ respuesta-oculta]

Verdadero Falso

Los carcinógenos suelen ser mutagénicos.

[revelar-respuesta q = ”166576 ″] Mostrar respuesta [/ revelar-respuesta]
[hidden-answer a = ”166576 ″] Verdadero [/ hidden-answer]

Piénsalo

¿Por qué es más probable que las inserciones o deleciones sean más perjudiciales para una célula que las mutaciones puntuales?

Pensamiento crítico

A continuación se muestran varias secuencias de ADN que están mutadas en comparación con la secuencia de tipo salvaje: 3′-T A C T G A C T G A C G A T C-5 ′. Imagine que cada uno es una sección de una molécula de ADN que se ha separado en preparación para la transcripción, por lo que solo está viendo la hebra de plantilla. Construya las secuencias de ADN complementarias (indicando los extremos 5 ′ y 3 ′) para cada secuencia de ADN mutado, luego transcriba (indicando los extremos 5 ′ y 3 ′) las hebras de la plantilla y traduzca las moléculas de ARNm utilizando el código genético, registrando el aminoácido resultante secuencia (que indica los extremos N y C). ¿Qué tipo de mutación es cada uno?