Fisiopatologia de la oncogenesis

Indice1. Introducción 2. Descubrimiento de los oncogenes 3. Genes implicados en el cáncer 4. Participación de los factores del crecimiento y productos oncogénicos en la proliferación celular 5. Activacion de los oncogenes 6. La Telomerasa 7. El ciclo celular en la carcinogenesis

1. Introducción

Aunque el cáncer ha sido una enfermedad inescrutable durante mucho tiempo, la semilla del conocimiento se plantó en 1911 cuando PEYTON RUS descubrió que un filtrado libre de células procedente de ciertos sarcomas de pollo podía causar nuevos tumores cuando se inoculaba a animales sanos, sugiriendo así la posible etiología vírica de determinadas neoplasias. Su idea se acogió con general escepticismo, pero su trabajo fue reconocido con el premio Nobel 56 años después. Las técnicas de biología molecular permiten examinar directamente el papel de las alteraciones del DNA y explorar la naturaleza del daño causado. Todo un conjunto de avances ha permitido llegar a afirmar que el cáncer es fundamentalmente una enfermedad genética (que procede de distintas alteraciones: mutaciones recesivas, dominantes, reacoplamientos de DNA, mutaciones puntuales, etc., que pueden alterar la expresión o la función bioquímica de los genes afectados). Hay que destacar, sin embargo, que el cáncer no es una enfermedad hereditaria en la gran mayoría de los casos. Las alteraciones genéticas asociadas a tumores son casi siempre de tipo somático, es decir, se adquieren durante la vida del individuo y no por herencia, esto es que el cáncer es una enfermed genética pero generalmente no hereditaria es decir que el tumor se debe a la expansión clonal de una sola célula progenitora que ha sufrido una lesión genética (así pues los tumores son monoclonales). Esta clonalidad es valorada muy fácilmente en mujeres heterocigotos para los marcadores polimorfos ligados al cromosoma X, como la enzima Glucosa 6 fosfato deshidrogenasa (G6PD) o por polimorfismos con el cromosoma X.

2. Descubrimiento de los oncogenes

La historia del descubrimiento de los oncogenes está ligada con la de la identificación del agente viral que causa el llamado sarcoma de Rous en las aves. Hace cerca de 80 años el patólogo Francis Peyton Rous decidió inyectar a docenas de gallinas con el filtrado que obtuvo al tamizar, a través de una malla muy fina, una suspensión de células de un tumor obtenido por autopsia de una gallina de la misma raza. Con este procedimiento logró reproducir el tumor y sospechó que el agente causal debería ser de menor tamaño que las células y que las bacterias, por lo que podría corresponder a un virus, aunque no lo designó así sino como un agente tumoral. Cabe mencionar que el doctor Rous recibió el premio Nobel de Medicina por sus descubrimientos en 1966. Más recientemente el doctor J. Michael Bishop, galardonado en 1989 también con el Premio Nobel de Medicina, informó que el gen v-src, el cual permite al virus causante del sarcoma de Rous inducir el tumor, también está contenido en las células normales no tan sólo de la gallina sino de algunos vertebrados, incluyendo al ser humano. Logró este descubrimiento gracias al empleo de las nuevas tecnologías de la llamada ingeniería genética, que permitieron, en primer lugar, copiar al gen v-src mediante una enzima que puede generar una versión de ADN a partir de la hebra de ARN del genoma viral (transcriptasa reversa). El siguiente paso consistió en multiplicar el número de copias del gen v-src, marcándolas con un isótopo radioactivo para poder seguir su destino. Finalmente las puso en contacto con el ADN desnaturalizado (separado en sus dos hebras) extraído de los distintos tipos celulares. Esto trajo como resultado la formación de algunas cadenas híbridas (que contenían una hebra de ADN marcado, la copiada del genoma viral, y otra sin marcar, proveniente de la célula donadora), que revelaron zonas de homología y descubrieron la misma secuencia en las células normales. El estudio de la secuencia de nucleótidos del gen src permitió, además, descubrir que, por su organización (presencia de secuencias conocidas como exones e intrones típicas de los genes animales pero no virales), ese gen no pertenecía al virus, sino que debió ser arrastrado por éste después de unirse y desprenderse del material genético de alguna célula hospedera (Figura 7). Más aún, sus homólogos en las células normales resultaron ser genes activos y fue también el grupo del doctor Bishop quien descubrió la proteína codificada por el gen src (llamado c-src porque corresponde a la versión celular de ese gen), a la que denominaron pp60c-src, y que, sorprendentemente, resultó ser una proteína fuertemente unida a la superficie interior de la membrana celular y capaz de fosforilar a las tirosinas.

Incorporación del oncogén src al genoma viral. Hoy se sabe que en las células cancerosas que contienen activo el oncogén c-src: está presente una proteína pp60c-src a la que, curiosamente, le falta, en un sitio peculiar, una tirosina, que en su versión normal es fosforilada, como mecanismo para bloquear la propia actividad fosforilante de la proteína pp60c-src. Tal parece ser la explicación por la cual esa proteína está permanentemente funcionando e introduciendo grupos fosfato en otras proteínas, en el caso de las células tumorales.

3. Genes implicados en el cáncer

Hoy se conocen tres grupos de genes de gran relevancia en el proceso canceroso. Los oncogenes, cuya expresión o activación anormal o excesiva en la célula puede conducir a la transformación cancerosa; se originan por diversos mecanismos a partir de genes celulares normales conocidos como protooncogenes. El segundo tipo corresponde a los denominados genes supresores del cáncer u oncosupresores o antioncogenes u oncogenes recesivos, cuya expresión normal inhibe el desarrollo del fenotipo canceroso. La inactivación o deleción de ambos alelos puede conducir a la célula a la transformación neoplásica, es decir, el tumor sólo se manifiesta cuando ambos alelos están alterados. Un ejemplo es el descrito con el retinoblastoma. Este tumor ha sido clásicamente considerado como el prototipo de cáncer humano que se transmite por herencia autosómica dominante, por fallo de oncogenes supresores o antioncogenes. El tercer tipo de genes, denominados moduladores, determinan propiedades como la invasividad, la metastatización o la capacidad de generar una respuesta inmune. El fenotipo metastásico es independiente del tumorigénico. En este grupo se incluyen los metastogenes, que potencian o aumentan el fenotipo metastásico, los genes supresores de metástasis, que pueden inhibir la metastatización, y los que modifican la inmunogenicidad de las células tumorales.

En general los protooncogenes pueden pasar a oncogénicos mediante la transducción retroviral (v-oncs) o por influencias que alteren su comportamientos in sito transformándolos en oncogenes celulares (c-oncs) dando dos interrogantes, la primera acerca de las funciones de los productos de los oncogenes y la segunda como es que protooncogenes "civilizados" se convierten en "enemigos internos"

Productos proteicos de los oncogenes Estas proteínas se llaman oncoproteínas se diferencia de los productos normales de los oncogenes:

• Las oncoproteínas carecen de algunos elementos reguladores importantes.
• Su producción por las células transformadas no depende de sus factores de crecimiento u otras señales externas.

En condiciones fisiológicas la proliferación celular pasa por los siguientes pasos:

• Unión de un factor de crecimiento a su receptor específico existente en la membrana celular.
• Activación transitoria y limitada del receptor del factor de y crecimiento que, a su vez. activa a varias proteínas transductoras de señales existentes en la capa interna de la membrana plasmática.
• Transmisión por el citosol de la señal transducida hasta que llega al núcleo transportada por segundos mensajeros,
• Inducción y activación de los factores reguladores de núcleos que inician la transcripción de! DNA,
• Paso de la célula al ciclo celular, por el que progresa hasta que se produce su división.

De acuerdo a esto es posible clasificarlos según el papel que desempeñan

4. Participación de los factores del crecimiento y productos oncogénicos en la proliferación celular

En esta figura se puede observar cómo el factor de crecimiento transformante de tipo beta (FCT- ß) al unirse a su receptor, activa la expresión del oncogén c-sis, el cual determina la síntesis del factor de crecimiento plaquetario (FCP). Este factor, a su vez, se une a su receptor e induce la activación de la fosfolipasa C, probablemente a través de una proteína G (¿p-21 codificada por el oncogén ras?). La fosfolipasa rompe al fosfatidil inositol difosfato (FID) liberando al inositol trifosfato (IF3) y al diacilglicerol (DAG), lo cual conduce a la activación de la proteína cinasa C, a la formación de ácido araquidónico y prostaglandinas. La prostaglandina E se une a un receptor e induce la síntesis del adenosín monofosfato cíclico y la activación del oncogén rnyc, todo lo cual provoca la síntesis de proteínas, del ADN y la división celular, junto con la reorganización de las proteínas del citoesqueleto (actina y vinculina), bajo la influencia del incremento del calcio citoplásmico y de la elevación del pH intracelular. Por su parte, el oncogén erb-B determina la síntesis del dominio interno del receptor del factor de crecimiento epidérmico, el cual es regulado por la acción fosforilante de la proteína C inducida Por FCP.

Factores de crecimiento Existen varios factores de crecimiento polipeptídicos que estimulan la proliferación de las células normales y se sospecha que muchos de ellos intervienen en el origen del tumor. Las mutaciones de los genes que codifican los factores de crecimiento pueden convertirlos en oncogénicos. Así sucede con el protooncogen c-sis, que codifica la cadena β del factor de crecimiento derivado de las plaquetas (FDGV.platelel-derived growth factor). Este oncogen se descubrió primero como oncogen viral contenido en v-sis. Posteriormente se comprobó que varios tumores humanos, sobre todo astrocitomas y osteosarcomas, producen PDGF. Además, parece que el mismo tumor expresa también receptores para el propio PDGF, sometiéndose a una estimulación autocrina. Aunque se considera que el bucle autocrino es un elemento importante en la patogenia de varias neoplasias, en la mayoría de los casos el gen del factor de crecimiento no esta alterado ni mutado. Por el contrario, lo mas frecuente es que los productos de otros oncogenes, por ejemplo ras (situado a lo largo de la vía de transducción de señales), induzcan una expresión excesiva de los genes de los factores de crecimiento, forzando a las células a secretar grandes cantidades de factores de crecimiento, tales como el factor transformador de crecimiento α (TGF-α), que estα relacionado con el factor de crecimiento epidιrmico (EGF, epidermal growth factor) y que induce la proliferación uniéndose al receptor de aquél. En los carcinomas que expresan niveles elevados de receptores del EGF suele detectarse TGF-α. Ademαs de c-sis en varios tumores gastrointestinales y mamarios hay activaciσn de un grupo de oncogenes relacionados entre sí (hst-1 y hst-2) que codifican proteínas homologas a los factores de crecimiento de los fibroblastos (FGF); los melanomas humanos expresan bFGF, un miembro de la familia de los factores de crecimiento de los fibroblastos que sin embargo, no es expresado por los melanocitos normales. Los carcinomas de células pequeñas del pulmón producen péptidos similares a la bombesina que estimulan su proliferación.

Receptores de los factores de crecimiento En el siguiente grupo en la cadena de la transducción de la señal intervienen los receptores de los factores de crecimiento; no resulta, pues varios de los oncogenes descubiertos codifiquen algunos de estos receptores. Para comprender la forma en que la mutación afecta a la función de los mismos, debe recordarse que varios receptores de los factores de crecimiento son proteínas transmembrana con un ligando de unión situado fuera de la célula y un dominio intracitoplasmático formado por tirosina cinasa. En las formas normales de estos receptores, la actividad cinasa sufre una activación transitoria cuando el receptor capta a su factor de crecimiento específico, a lo que sigue rápidamente la dimerización del receptor y la fosforilación por la tirosina de varios sustratos que forman parte de la cascada de la mitosis. Las versiones oncogénicas de estos receptores sufren dimerización y activación persistentes sin necesidad de unirse al factor de crecimiento correspondiente. De esta forma, el receptor mutante libera hacia la célula continuas señales que estimulan la mitosis. En los tumores humanos, la activación de los factores de crecimiento se produce a través de varios mecanismos, entre los que se encuentran mutaciones, reordenamientos de los genes o su expresión excesiva. El protooncogen ret, un receptor de tirosina cinasa, puede servir como ejemplo de la conversión oncogénica a través de mutaciones y reordenamientos de genes. La proteína ret es un receptor para el factor neurotrófico derivado de la línea celular glial, expresado normalmente por las células neuroendocrinas, como las células C parafoliculares del tiroides, las de la médula suprarrenal y las precursoras de las células paraliroideas, En las MEN tipos 2A y 2B y en los carcinomas medulares del tiroides familiares (Capitulo 26), se encuentran mutaciones puntuales de! protooncogen reí que se transmiten de forma autosómica dominante. En la MEN 2A, las mutaciones puntuales del dominio extracelular provocan la dimerización y activación constitutivas, mientras que en la MEN 2B, las mutaciones puntuales del dominio catalítico citoplásmico provocan la activación del receptor. En lodos estos tumores familiares, las personas afectadas heredan la mutación reí en la línea germinal. Por e! contrario, los carcinomas papilares esporádicos del tiroides se asocian a reordenamientos somáticos del gen ret. En estos rumores, el dominio de la tirosina cinasa del gen ret se yuxtapone a uno de cuatro genes compañeros distintos. Los genes fusionados codifican proteínas híbridas en las que el dominio de tirosina cinasa está activado de forma constitutiva, lo que hace que, para la célula, es como si el receptor ret estuviese siendo activado continuamente por su ligando correspondiente. Las conversiones oncogénicas por mutaciones y reordenamientos afectan también a otros genes que codifican receptores de factores de crecimiento. En las leucemias mieloides se han detectado mutaciones puntuales que activan a c-fms, el gen que codifica al receptor del factor estimulador de tas colonias 1 (CSF-1). En algunas leucemias mielomonociticas crónicas que contienen la translocación 1(13;9) la totalidad del dominio citoplasmico del receptor de PDGF se fusiona con un segmento del factor de transcripción de la familia ETS, con la consiguiente dimerización permanente del receptor de PDGF. Mucho más frecuente que las mutaciones de estos protooncogenes es la expresión excesiva de formas normales de receptores de factores de crecimiento. Los que se afectan con mayor frecuencia son tres miembros de la familia de receptores del EGF8. En hasta el 80 % de los carcinomas epidermoides del pulmón y, con menos frecuencia, en los carcinomas de la vejiga urinaria, el apáralo gastrointestinal y los astrocitomas, se produce una expresión excesiva de la forma normal de c-erb B1, el gen del receptor del EGF. En algunos casos, el aumento de la expresión del receptor provoca la amplificación del gen. En la mayoría de los casos restantes, se desconoce la base molecular que justifica el aumento de la expresión del receptor. Por el contrario, el gen c-erb B2 (también llamado c-neu), el segundo miembro de la familia de receptores del EGF se halla amplificado en un alto porcentaje de adenocarcinomas humanos de la mama, el ovario, el pulmón, el estómago y las glándulas salivales. En los cánceres de mama también se observa sobreexpresión de un tercer miembro de la familia de receptores del EGF, c-erb B3. Podría sospecharse que los tumores que muestran una expresión excesiva de los receptores de factores de crecimiento, por ejemplo de c-erb B2, deberían ser muy sensibles a los efectos estimulantes del crecimiento de una pequeña cantidad de los factores implicados, lo que tos haría más agresivos. La observación de que la existencia de concentraciones elevadas de proteína c-erb B2 en las células del cáncer de mama es una señal de mal pronóstico respalda esta hipótesis.

Proteínas de transducción de Señales Se han encontrado varios ejemplos de oncoproteínas con funciones similares a las de las proteínas citoplásmicas normales que intervienen en la transducción de señales. La mayoría de estas proteínas se encuentran estratégicamente situadas en la parle interna de la membrana plasmática, donde reciben las señales procedentes del exterior de la célula (por ejemplo mediante la activación de los receptores de factores de crecimiento) y las transmiten al núcleo celular. Bioquímicamente, las proteínas de transducción de señales son heterogéneas. El ejemplo mejor conocido y estudiado de una oncoproteína de transducción de señales es la familia ras de las proteínas de unión trifosfato de guanina .(OTP) .El descubrimiento inicial de las proteínas ras se hizo en forma de oncogenes virales. Alrededor del 10 al 20 % de todos los tumores humanos contienen versiones muladas de proteínas ras9. En algunos (por ejemplo carcinomas de colon, páncreas y tiroides), la incidencia de la mutación ras es incluso superior. La mutación del gen ras es la anomalía más frecuente de los oncogenes dominantes, identificada en los tumores humanos. Varios estudios indican que ras desempeña un papel importante en la mitogénesis inducida por los factores de crecimiento. Por ejemplo, el bloqueo de la función de ras mediante microinyección de anticuerpos específicos interrumpe la respuesta proliferativa a EGF, PUCF y CSF-1. Las proteínas ras normales están unidas a la parte citoplásmica de !a membrana celular, y oscilan atrás y adelante entre una forma activada de transmisión de señales y un estado inactivo y quiecente. En este último estado, las proteínas ras captan difosfato de guanosina (GDP); cuando la célula es estimulada por los factores de crecimiento o por otras interacciones entre ligandos y receptores, ras se activa intercambiando GDP por GTP. La activación de ras provoca, a su vez, la excitación de la vía MAP cinasa mediante el reclutamiento de la preoteína raf-1 existente en el citosol. Las MAP cinasas activadas tienen como dianas a factores nucleares de transcripción, por lo que estimulan la mitogénesis. En las células normales, el estado activado de transmisión de señales de la proteína ras es transitorio porque su actividad intrínseca GTPasa hidroliza GTP y la conviene en GDP, lo que hace que ras recupere su estado quiescente. El hecho de que el ciclo de la proteína ras sea ordenado depende de dos reacciones: el intercambio de nucleótidos (GDP por GTP) que activa la proteína ras, y la hidrólisis de GTP, que convierte a la forma activa de ras ligada a GTP en una forma inactiva ligada a GDP10.11. Esos dos procesos están regulados enzimáticamente. Durante la activación de ras, la separación de GDP y sus sustitución por GTP está catalizada por una familia de proteínas liberadoras del nucleótido guanina, que proceden de la parte cilosólica de los receptores de factor de crecimiento activados por las proteínas de adaptación, De mucha mayor importancia es que las proteínas activadoras de la GTPasa (GAP) determinan una espectacular aceleración de la actividad GTPasa intrínseca de las proteínas ras normales. Estas proteínas, de distribución muy amplia, se unen a ras activo y aumentan su actividad GTPasa más de 1000 veces, provocando una hidrólisis rápida de GTP a GDP, con la consiguiente interrupción de la transmisión de las señales, De esta forma, las GAP actúan como «frenos» que evitan una actividad no controlada de ras. Parece que la respuesta a esta acción de frenado de las GAP se tambalea cuando las mutaciones afectan al gen ras. Las proteínas ras mutantes se unen a las GAP, pero esta unión no va acompañada de la actividad de la GTPasa. Por tanto, las proteínas mutantes quedan "atrapadas" en su forma excitada, unida a GTP lo que a su vez causa una activación patológica de la v(a de señalización de la actividad mitógena. El hecho de que una mutación incapacitante de la neurofibromina (NF-1) una proteína activadora de la GPTasa, se asocie también a las neoplasias subraya la importancia de la activación de la GPTasa en el control del crecimiento normal. Estudios recientes han revelado que, junto a su función en la transducción de señales de activación iniciadas por factores de crecimiento, ras interviene también en la regulación del ciclo celular. Como se describirá más adelante, el paso de las células de la fase G0 a la fase S está modulado por una serie de proteínas llamadas ciclinas y cinasas dependientes de la ciclina (CDK). Según parece, ras controla el nivel de CDK a través de mecanismos aún desconocidos . Para bloquear la actividad de ras alterada, los investigadores han aprovechado el hecho de que, para recibir señales de activación procedentes de los receptores de factores de crecimiento, ras debe permanecer fijado a la parte interna de la membrana celular, cerca del dominio citoplásmico de dichos receptores. Este anclaje se efectúa mediante la unión de un grupo lipídico isoprenilo a la molécula de ras a través de la intervención de la enzima farnesil transferasa. La porción farnesil es la que establece el puente entre ras y la membrana lipídica. Los inhibidores de la farnesil transferasa pueden incapacitar a ras, impidiendo que se sitúe en su ubicación normal. Además de ras. existen otras tirosina cinasas no asociadas a receptores que intervienen en las vías de transducción de señales, Las formas mutantes de las tirosinas cinasas no asociadas a receptores y que han adquirido potencial de transformación suelen encontrarse como v-oncs en retrovirus de animales (ejemplos: v-abl. v-src, v-fyn, v-fes y muchos otros).

Proteínas nucleares de transcripción Las señales de las vías de transducción ingresan al núcleo y entran en contacto con diferentes genes que responden a ellas. La replicación del DNA y la división celular es regulado por una familia de genes cuyos productos se encuentran en el núcleo, donde controlan la transcripción de los genes relacionados con el crecimiento. Los factores de transcripción contienen secuencias específicas de aminoácidos o motivas que les permiten unirse a! DNA o dimerizar sus enlaces. Entre estos motivos se encuentran la hélice-asa-hélice, cremallera de leucina, los dedos de cinc y los homeodominios de cinc. Muchas de estas proteínas se unen al DNA en lugares específicos, desde los que pueden activar o inhibir la transcripción de genes adyacentes. En el núcleo se ha localizado un lote completo de oncoproteínas, entre ellas los productos de los oncogenes myc, myh, jim y fos. De ellos, el gen myc es el que con mayor frecuencia está implicado en los tumores humanos, lo que justifica una breve revisión de su función. El protooncogen c-myc se expresa en prácticamente todas las células eucarióticas y pertenece a los genes de respuesta de crecimiento precoz e inmediata, genes que se activan rápidamente cuando las células en reposo reciben la señal que promueve su división. Tras un aumento transitorio del mRNA del c-myc, la expresión vuelve a descender a sus valores iniciales. Los experimentos en tos que la inhibición específica de la expresión de c-myc por oligonucleótidos contrasentido evita que la célula pase a la fase S subrayan la importancia de este gen en la proliferación celular. No se conocen por completo las bases moleculares de la función de c-myr en la replicación celular, pero sí se han dilucidado algunos principios. Tras la traducción, la proteína c-myc pasa rápidamente al núcleo. Bien antes o bien después de su transporte hasta el núcleo, la proteína forma un heterodímero con otra proteína, llamada max. El heterodímero myc-max se une a secuencias específicas del DNA (llamadas zonas E) convirtiéndose en un potente activador. Las mutaciones que alteran la capacidad myi: para unirse al DNA o a max abolen su actividad oncogénica. Además de formar un heterodímero con myc, la proteína max puede formar heterodímero sin actividad para la transcripción, además, max, otro miembro de la superfamifia myc de reguladores de la transcripción, también puede unirse a max para formar un dímero. El heterodímero mad-max actúa como represor de la transcripción. Por tanto, lo que parece deducirse es que el grado de activación de la transcripción por c-myc depende no sólo de los niveles de proteína myc, sino también de la abundancia y disponibilidad de proteínas max y mad. En este complejo, el heterodímero myc-max favorece la proliferación, mientras que mad-max inhibe el crecimienlo celular.