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Instituto de Bioingeniería
Universidad Miguel Hernández
Genética y genómica del cáncer
Avances en Genética
Máster en Biotecnología y Bioingeniería
María Rosa Ponce Molet
5 de marzo de 2015
Instituto de Bioingeniería
Universidad Miguel Hernández
Genética del cáncer
Reflexiones sobre el cáncer
• Es una de las causas más importantes de mortalidad en los países
del primer mundo, por lo que existen grandes inversiones
públicas y privadas en la investigación sobre el cáncer
• Algunos expertos pronostican que se controlará en pocos años, ya
que se conocen mucho mejor sus bases moleculares
• La impresión generalizada es que hemos perdido la batalla contra
el cáncer, al menos no la hemos ganado
• Varias preguntas en torno al cáncer:
• ¿Por qué la lucha contra el cáncer es tan larga y poco
productiva?
• ¿Es el cáncer una cuestión de suerte?
• ¿Intervienen otros factores?
• ¿Son los tratamientos adecuados?
• ¿Es realista la esperanza de controlar en pocos años el cáncer?
3
El cáncer es una enfermedad genética
• La limitación de la vida es
característica de cada organismo,
y es extensible a cada una de sus
células somáticas, cuyo
crecimiento y división está
sometido a regulación
• Una excepción son las células
cancerosas, que pueden
proliferar en localizaciones
inapropiadas o dividirse
indefinidamente, propiedades
que pueden resultar letales para
el organismo del que forman
parte
4
El cáncer es una enfermedad genética
• Se manifiesta a nivel celular, y en base al
tejido afectado, se clasifican en más de 200
tipos y muchos más subtipos
• Es un proceso lento, en el que se van
acumulando mutaciones en una única célula,
precursora del tumor, que no se reparan
• La probabilidad de que esto ocurra es muy
baja (tasa mutacional 10-8/gen y célula), pero
el cáncer sucede debido a que las mutaciones
afectan a genes clave, conductores (drivers)
del tumor, implicados en el control de la
proliferación celular, la apoptosis y la
reparación de lesiones
5
El cáncer es una enfermedad genética
• La progresión del cáncer es un ejemplo de un
proceso de adaptación rápido, donde aparecen
nuevas características celulares que son
esenciales para su supervivencia
• Requiere un alta tasa mutacional
• Las células precancerosas adquieren unas
pocas mutaciones clave, que modifican su
fenotipo, que conducen a un crecimiento
rápido de la población y a la carcinogénesis
6
Cambios fenotípicos a lo largo de la carcinogénesis
• No estamos programados para la inmortalidad
• La razón de que las células somáticas diferenciadas mueran
espontáneamente es el acortamiento de los telómeros, ya que
la enzima que los replica (la telomerasa) no se expresa
• Una célula cancerosa es inmortal y expresa constitutivamente
la telomerasa
apoptosis
7
Características de las células cancerosas
• Una célula normal decide dividirse o no en función de señales
activadoras e inhibidoras procedentes de las células vecinas. Sin
embargo, las tumorales
• son capaces de autoestimularse (autocrina)
• se insensibilizan ante señales inhibidoras de la proliferación
celular
8
Cambios fenotípicos a lo largo de la carcinogénesis
• Una célula normal, en cultivo, no se divide más cuando
establece contacto con sus vecinas (inhibición por contacto), las
tumorales crecen apiladas
• Una célula normal establece
canales de comunicación con
otras células, las tumorales no
9
Cambios fenotípicos a lo largo de la carcinogénesis
• Una célula cancerosa ha perdido
mecanismos de reparación de
lesiones, por lo que las
mutaciones se acumulan, incluidas
las aberraciones cromosómicas
10
Cambios fenotípicos a lo largo de la carcinogénesis
• Cuando sufre un daño irreparable
una célula normal, responde a
señales apoptóticas, las tumorales
no
• Las células cancerosas son propias,
y escapan al sistema inmune
• Una célula normal no migra, las cancerosas adquieren la
capacidad de diseminarse e invadir otros tejidos, incluso lejanos,
viajando a través del torrente sanguíneo, y si se reproducen
generan metástasis
11
Cambios fenotípicos a lo largo de la carcinogénesis
• En un individuo adulto no se forman nuevos vasos sanguíneos,
las células cancerosas secretan sustancias que promueven el
crecimiento de nuevos vasos sanguíneos (angiogénesis), por lo
que pueden nutrirse mejor y proliferar
angiogénesis
12
El cáncer es una enfermedad genética
• La progresión del cáncer es un ejemplo de un
proceso de adaptación rápido, donde aparecen
nuevas características celulares que son
esenciales para su supervivencia
• Requiere un alta tasa mutacional
• Las células precancerosas adquieren unas
pocas mutaciones clave, que modifican su
fenotipo, que conducen a un crecimiento
rápido de la población y a la carcinogénesis
• La carcinogénesis es una consecuencia de la
selección natural entre células: La célula, con
mas éxito evolutivo que sus vecinas, prolifera
anormalmente escapando a los controles y
generando un clon de células anormales (tumor)
13
Historia del cáncer
• La referencia más antigua se recoge en el papiro de Edwin
Smith (siglo XVII antes de nuestra era) que se exhibe en la
Academia de Medicina de Nueva York
• A diferencia de otros tratados de la época, es una
aproximación científica, objetiva y racional a la medicina
en el antiguo Egipto
González Fisher y Flores Shaw, 2005
Historia del cáncer
• La enfermedad primero fue llamada cáncer por el médico
griego Hipócrates (460-370 antes de nuestra era)
• John Hunter (1728−1793), médico escocés, sugirió que algunos
cánceres se pudieran curar por la cirugía (los no movibles, no
extendidos)
• Rudolf Virchow (1821-1902), médico alemán fundador de la
patología celular, correlacionó la patología microscópica a la
enfermedad
• Propuso que las células cancerosas provenían de otras
células sanas
• Afirmaba que el patólogo podía informar al cirujano del
éxito o fracaso en la eliminación de las células tumorales
• Hasta que la anestesia no estuvo disponible en los hospitales
(1846), no fue posible estirpar tumores de forma rutinaria
Historia del cáncer
• Han existido numerosas teorías sobre las causas del cáncer y el
origen de las células tumorales
• Procedencia: humoral (de Hipócrates a la edad media), linfa
(siglo XVIII), infección (XVIII), blastema (siglo XIX), irritación
crónica (XIX), trauma (XIX)
• A principios del XX se evidenció que el cáncer podía inducirse
• Yamagiwa e Ichikawa (1915) inducen cáncer en animales de
laboratorio, aplicando alquitrán a la piel de conejos
• Rous (1911) describe un tipo de cáncer (sarcoma) en pollos,
que años más tarde descubrió estaba causado por un virus
• Ganó el Premio Nobel en 1968
• Hasta 2014, la IARC, agencia para la investigación del cáncer
de la OMS, ha identificado más de 100 carcinógenos físicos,
químicos y biológicos
Historia del cáncer
• A finales del siglo XIX comenzó a utilizarse la radioterapia en
tratamientos contra el cáncer
• Un accidente durante la Segunda Guerra Mundial, que
sufrieron soldados italianos expuestos al gas de mostaza,
evidenció que producía la desaparición de las células de la
médula ósea
• Los farmacólogos Alfred Gilman y Louis Goodman
investigaron el efecto del gas mostaza en linfomas en
ratones que mostraron remisiones significativas
• Se les considera los fundadores de la quimioterapia
• En los años 50 comienzan a aplicarse terapias dirigidas a la
eliminación de las células tumorales, que interferían con la
replicación, la división, transcripción o la traducción
La base de la quimioterapia
La base de la quimioterapia
El cáncer, una alteración del desarrollo
La base de la quimioterapia
20
La base de la quimioterapia
Historia del cáncer
• En los años 70 comienzan a desarrollarse las herramientas de
Ingeniería genética que permiten acceder al material genético, y
se descubren los primeros genes asociados al cáncer
• En la actualidad se conocen 4 tipos de genes, cuyas mutaciones
se relacionan con el cáncer
• Genes supresores de tumores: Sus productos inhiben la
división celular
• Protooncogenes: Sus productos estimulan la división celular
• microARN: Algunas de sus dianas son protooncogenes o
genes supresores de tumores
• Genes mutadores: Implicados en la replicación o en la
reparación de lesiones en el ADN (se consideran también
genes supresores de tumores)
Bases
genéticas del
Genes
supresores
decáncer
tumores
• Los productos de los genes supresores de tumores actúan
inhibiendo la progresión de las células a través del ciclo celular,
induciendo apoptosis y manteniendo la integridad del genoma
• Se clasifican según el papel que juegan:
• Genes guardianes (gatekeeper): Inhiben directament el
crecimiento o promuevan la muerte celular (p53, Rb)
• Se encuentran mutados en los cánceres familiares
• Genes cuidadores (caretaker) del genoma: están implicados
en la reparación de las alteraciones del ADN y en el
mantenimiento de la integridad del genoma (BRCA1 y
BRCA2, APC, MLH, MSH2 y MSH6)
• Sus mutaciones provocan la acumulación de mutaciones
y reorganizaciones cromosómicas
23
Bases genéticas del cáncer
• Los oncogenes son versiones mutantes (activadas) de los
protooncogenes
• Se pueden generar por mutaciones génicas o cromosómicas
• Las mutaciones génicas pueden ser:
• Puntuales y afectar a la región condificante o reguladora
• Deleciones que afecta a parte del gen
• Las cromosómicas pueden ser:
• Translocaciones e inversiones
• Amplificación génica (incremento del número de copias),
generalmente como resultado de amplificaciones al azar
de ciertas regiones del genoma
• También se generan por hipometilación de protooncogenes 24
Bases genéticas del cáncer
Bases genéticas del cáncer
Zhang et al., 2006
El cáncer, una alteración del desarrollo
La base de la quimioterapia
• La quimioterapia más actual combina agentes no específicos, que
interfieren con la replicación… , con otros más específicos
27
El cáncer, una alteración del desarrollo
Bases moleculares de la quimioterapia
• Descubrir los mecanismos moleculares por los que actúan como
antitumorales, con una referencia bibliográfica. Indicar también
la empresa que lo ha comercializado y el año. Algunos nombres
son comerciales y se debe encontrar el principio activo
• Indicar la empresa que los comercializa y el año en que se
autorizó su uso
−
−
−
−
−
−
−
Imetelstat
Cisplatin (cisplatino)
Arimidex
(S)-crizotinib
Methotrexate (metotrexato)
5-FU
Novaldex
• En muchos tumores se sobreexpresa el gen MGMT y son
resistentes a los agentes alquilantes usados en quimioterapia,
¿por qué?
28
Historia del cáncer
• En la actualidad se emplea cirugía, radioterapia y quimioterapia
• Una tasa elevada de división dificulta la reparación de
mutaciones, por lo que las células tumorales son más
sensibles al efecto de la radiación
 ¿Todas las células de un tumor?
 ¿Todos los tumores?
• La primera prueba de cribado fue desarrollada en 1923, para la
detección del cáncer de cuello del útero temprano
• 40 años después se popularizó la prueba, auspiciada por la
American Cancer Society (ACS; http://www.cancer.gov)
• Los métodos modernos de la mamografía fueron desarrollados a
finales de los 60 (XX), y recomendados por la ACS en 1976
• En la actualidad existen pruebas para la detección de los tipos de
cáncer más comunes
29
Reflexiones sobre el cáncer
30
Un poco de epidemiología
• Se analizan tres parámetros:
• Incidencia
• Mortalidad
• Prevalencia
31
Un poco de epidemiología
32
Un poco de epidemiología
33
Un poco de epidemiología
• Cuando se analizan los datos
separando países más y menos
desarrollados, se observan
diferencias notables en la
incidencia:
 ¿A qué puede deberse?
 ¿Al azar?
 Si no, ¿cómo establecer si la
diferencias son debidas al
genotipo o al ambiente, o a
ambos?
Ferlay et al., 2014
34
El cáncer es una enfermedad compleja
• Se considera una enfermedad multifactorial cuya incidencia
aumenta con la edad
• Los más abundantes son los carcinomas, que afectan a los
tejidos epiteliales que recubren las superficies externas e
internas del cuerpo
• El epitelio tiene una alta capacidad de renovación
35
Origen celular del cáncer
• La mayoría se originan a partir
de células epiteliales
• Se ha demostrado
empleando líneas celulares
humanas y en ratones
• Mediante la deleción y
activación condicional de genes
supresores de tumores y de
oncogenes, respectivamente,
se ha logrado establecer con
precisión el origen celular de
muchos tumores sólidos
Blanpain, 2013
Expresión de un oncogén
en distintos tipos celulares
de un determinado tejido
36
Origen celular del cáncer
Blanpain, 2013
37
Origen celular del cáncer
mama
intestino
pulmón
próstata
Blanpain, 2013
38
El cáncer es una enfermedad compleja
• Se considera una enfermedad multifactorial cuya incidencia
aumenta con la edad
• Los más abundantes son los carcinomas, que afectan a los
tejidos epiteliales que recubren las superficies externas e
internas del cuerpo
• El epitelio tiene una alta capacidad de renovación
• Los estudios citológicos han ido revelando que los tumores no
son homogéneos (heterogeneidad intratumoral)
• Desde hace tiempo se sospechaba que no todas las células
tenían la misma capacidad para inducir un tumor ni para
propagarlo
39
Heterogenidad de los tumores:
modelos
• Dos modelos antagónicos sobre la heterogeneidad celular en los
tumores:
• Equipotencia de todas las células tumorales y de forma azarosa,
unas deciden autorrenovarse y otras diferenciarse
• No equipotencia. Sólo un subconjunto de células tumorales
tiene capacidad de autorrenovarse y originar células
progenitoras, con una limitada capacidad proliferativa, que se
diferencian
• Son las células
madre cancerosas
(cancer stem cell;
CSC), cuya
existencia se
sospechaba desde
hace mucho tiempo
40
Heterogenidad de los tumores:
células madre del cáncer
• Las células madre normales (SC) mantienen la homeostasis de los
tejidos a través de una serie controlada de divisiones simétricas y
asimétricas
• Las divisiones asimétricas conducen simultáneamente a una
célula progenitora que se diferenciará en el tejido
correspondiente y a una SC
• Las CSC contribuyen al
crecimiento tumoral al
producir un excesivo
número de divisiones
simétricas para
autorrenovarse
Pine y Liu, 2014
41
Heterogenidad de los tumores:
modelos
• Para descubrir y confirmar la no equivalencia de los distintos
tipos celulares en la propagación tumoral, se realizan ensayos de
trasplantes en ratones
Trasplante a ratones
inmunodeprimidos
TPC: tumour-propagating cell
aislamiento por
citometría de flujo
42
Heterogenidad de los tumores:
células madre del cáncer
• Un tumor está compuesto de células tumorigénicas (CSC) y
otras que no lo son, que constituyen el grueso de las células
tumorales
• Las CSC tienen capacidad
migratoria y de invasión
de otros tejidos
• Son también resistentes
a muchas de las drogas
usadas en quimioterapia
Pattabiraman y Weinberg, 2014
43
El cáncer, una alteración del desarrollo
Resistencia a la radioterapia de las CSC
• Las células son sensibles a radiación ionizante si reúnen tres
propiedades:
• Tasa elevada de división, que dificulta la reparación de
mutaciones
• Capacidad de división prolongada
• Fenotipo no especializado
• Se ha constatado que las células son más sensibles en la fase
de mitosis que en cualquier otra
• Las CSC están mayoritariamente en las fases G1/G0 y son
resistentes a la radioterapia
• Tienen la capacidad de hacerse quiescentes, y mantenerse
largos periodos en fase G0
• Las CSC tienen mecanismos de reparación más eficientes
• Tiene activadas rutas anti-apoptóticas
44
Heterogenidad de los tumores:
células madre del cáncer
• Además de las CSC, existen otras células que rodean al tumor y
que constituyen su microambiente
• El microambiente tumoral, cuya heterogeneidad se incrementa
con la progresión del tumor, condiciona su comportamiento
Flecha verde y roja,
estimulación o
inhibición de la
formación del tumor
45
Heterogenidad de los tumores:
células madre del cáncer
• Las células del microambiente secretan factores que estimulan la
formación de CSC y las ayudan a mantener pluripotentes, y en un
estadío casi mesenquimático
Pattabiraman y Weinberg, 2014
• En la transición
epitelio-mesénquima
se produce una pérdida
de la capacidad de
adhesion celular y una
ganancia de capacidad
migratoria e invasiva,
necesarias para la
metástasis
46
Heterogenidad de los tumores:
células madre del cáncer
• Las CSC son muy resistentes a
la quimioterapia convencional
(tasa de proliferación baja)
• Se están desarrollando
• herramientas para la
detección de CSC y terapias
para su eliminación
• fármacos que bloquean los
factores secretados por el
microambiente tumoral y
que inducen la transición
epitelio-mesénquima
Pattabiraman y Weinberg, 2014
47
Terapias contra factores clave en las vías de
transición epitelio-mesénquima
https://clinicaltrials.gov/ct2/show/results/NCT01351103
https://clinicaltrials.gov/show/NCT01130142
48
Heterogenidad de los tumores:
modelos
• La heterogeneidad celular se incrementará con sucesivas
mutaciones somáticas, generándose clones de distintos genotipos
• El número de clones diferentes se incrementará con la progresión
del tumor
• El cáncer es pués policlonal, y cada clon puede responder de
forma diferente a a las terapias
49
Instituto de Bioingeniería
Universidad Miguel Hernández
Genómica del cáncer
El cáncer, una alteración del desarrollo
Genómina del cáncer
• Se ha constatado que las mutaciones
conductoras se encuentran con otras
miles en genes pasajeros, dispersas
en el genoma, y que no son
recurrentes en los pacientes
• Se ha asumido que son neutras y
se las ha ignorado
• En los estadíos más avanzados, el
tumor es habitualmente policlonal
• Las mutaciones conductoras
pueden ser diferentes, en los
diferentes clones
• Cada clon responderá de forma
diferente al tratamiento
Dancey et al., 2012
51
El cáncer, una alteración del desarrollo
Genómica del cáncer
• Muchos procesos tumorales llevan años, incluso décadas antes de
que generen letalidad o se manifiesten claramente
• La acumulación de mutaciones somáticas precede a los cambios en
la morfología celular
• Las células que escapan a la quimioterapia pueden no detectarse
por métodos patológicos tradicionales, y generar clones que serán
dominantes en la recaída
52
El cáncer, una alteración del desarrollo
Genómica del cáncer
• Para la caracterización de los distintos clones de un tumor
deberían obtenerse diferentes biopsias, de cada clon observable
• Muchos clones minoritarios, no se detectan fácilmente
• La secuenciación masiva, con un cobertura muy alta, permitiría la
detección de clones que supongan tan sólo 1% del tumor
• Se recomienda obtener una cobertura 80x
(2 clones)
53
El cáncer, una alteración del desarrollo
Ejemplo de un panel de cáncer
• La secuenciación masiva es de gran utilidad en cualquiera de las
etapas del proceso tumoral
54
El cáncer, una alteración del desarrollo
Genómica del cáncer
• Se emplean tres estrategias basadas en la secuenciación de ADN
• Se comenzó secuenciando con paneles de genes diana
• Mas tarde se iniciaron programas de secuenciación completa
Mejor elección sin
hipótesis de partida
Gran potencial
como herramienta
de diagnóstico
55
dirigida
El cáncer,Secuenciación
una alteración
del desarrollo
(targeted gene sequencing)
• Se basa en la secuenciación de genes específicos (un panel de
genes), cuyas mutaciones juegan un papel conocido en el cáncer
• Fácil de interpretar, podría ser la herramienta de diagnóstico
futura, aunque la secuenciación completa se está abaratando
56
El cáncer, una alteración del desarrollo
Secuenciación masiva: paneles
• La empresa Illumina ha sido pionera en la secuenciación masiva,
y en el desarrollo de paneles para el diagnóstico del cáncer
57
El cáncer, una alteración del desarrollo
Secuenciación masiva: paneles
Paneles Snapshop y OncoCart
Dancey et al., 2012
58
El cáncer, una alteración del desarrollo
El proyectoThe Cancer Genome Atlas (TCGA)
http://cancergenome.nih.gov/
• Se inicia en 2006 en EEUU
• Supervisado y sufragado por
el National Cancer Institute
– $150M para secuenciación
– $70M otros gastos
• Su objetivo es la
caracterización molecular de
20 tipos de tumores
• Secuenciación
• Perfil de expresión
• miARN
• Metilación del ADN
59
El cáncer, una alteración del desarrollo
Algunos resultados del proyecto The Cancer TCGA
Kandoth et al., 2013
60
El cáncer, una alteración del desarrollo
Algunos resultados del proyecto The Cancer TCGA
AML: acute myeloid leukaemia
BRCA: breast adenocarcinoma
OV: ovarian carcinoma
KIRC: kidney renal carcinoma
UCEC: uterine endometrial carcinoma
GBM: glioblastoma multiforme
COAD/READ: colon and rectal
carcinoma
HNSC: head and neck squamous
carcinoma
BLCA: bladder urothelial carcinoma
LUAD: lung adenocarcinoma
LUSC: lung squamous carcinoma
 ¿Algo llamativo?
Kandoth et al., 2013
61
El cáncer, una alteración del desarrollo
Algunos resultados del proyecto The Cancer TCGA
• La frecuencia de mutaciones en genes que están sujetos a
selección positiva (127) es mucho mayor que el resto del genoma
• En el 90,3% de las muestras (3.0953) se detectó al menos una
mutación en genes de las siguientes categorías:
• De reparación
• Receptores tirosina quinasa
• Implicados en rutas de transición epitelio-mesénquima
• Otras nuevas categorías: factores implicados en el splicing,
proteólisis mediada por ubiquitinación, modificadores de
histonas
62
Algunos resultados del proyecto The Cancer TCGA
Porcentaje de muestras mutadas
en cada tipo de tumor
• P53 fue el gen más
frecuentemente mutado
en la mayoría de los
cánceres, lo que indica su
relevancia en la
tumorogénesis
• Confirma muchos
resultados previos
Kandoth et al., 2013
• Otros genes están
específicamente mutados
en un tipo de tumor, lo
que sugiere una
relevancia más específica
Algunos resultados del proyecto The Cancer TCGA
• El número de mutaciones requeridas para el desarrollo tumoral
en genes relacionados con el cáncer y otros significativamente
mutados (127 identificados en este estudio) parece ser muy
bajo (entre 2 y 6 en la mayoría de los casos), aunque no se han
tenido en cuenta los reordenamientos
SMG: Significantly
mutated genes (127)
Kandoth et al., 2013
El cáncer, una alteración del desarrollo
El consorcio internacional del genoma del cáncer
https://dcc.icgc.org/
65
El cáncer, una alteración del desarrollo
El consorcio internacional del genoma del cáncer
• El acceso a los datos es gratuito, libre pero controlado
66
El cáncer, ¿cuestión de suerte?
Masticando los números
para explicar el cáncer
67
El cáncer, ¿cuestión de suerte?
http://elpais.com/elpais/2014/12/31/ciencia/1420046780_149337.html
http://elpais.com/elpais/2015/01/30/ciencia/1422641735_718659.html
http://www.infobae.com/2015/01/02/1618505-nueva-teoriacientifica-el-cancer-es-cuestion-mala-suerte
68
El cáncer, ¿cuestión de suerte?
http://elcomercio.pe/blog/cuidatusalud/2015/01/no-el-cancer-no-ocurre-por-malasuerte
http://www.huffingtonpost.es/jorge-dotto/el-cancer-no-es-por-mala_b_6571744.html
69
El cáncer, ¿cuestión de suerte?
70
El cáncer, ¿cuestión de suerte?
71
Un poco de epidemiología
72
Un poco de epidemiología
73
Un poco de epidemiología
Ferlay et al., 2014
74
Un poco de epidemiología
De Martel et al., 2012 75
Un poco de epidemiología
De Martel et al., 2012 76
Un poco de epidemiología
• Muchos de los casos de cáncer relacionados con infecciones
podrían haberse evitado, particularmente los asociados a HPV,
H. pylori, HBV, and HCV
• La OMS recomienda la vacuna contra el HBV a todos los
niños, lo antes posible tras el nacimiento
De Martel et al., 2012 77
Un poco de epidemiología
Datos de 2012
Ferlay et al., 2014
78