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

VIII. Regulación de la Expresión genética Objetivo general El alumno identificará los diferentes mecanismos que operan en la regulación de la expresión genética en procariontes y eucariontes

Objetivos del tema El alumno... VIII. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA El alumno... Conoci-miento Compren-sión Aplica-ción 3. Regulación del ciclo celular y cáncer 4.1. Conocerá los diferentes tipos de proteínas que ejercen funciones anti-proliferativas cuya mutación provoca la aparición de células malignas. X 4.2. Distinguirá entre proteínas supresoras de proliferación y proteínas promotoras de proliferación y su relación con el cáncer. 4.3. Comprenderá el mecanismo por el que la acumulación de mutaciones hace a las células propensas a proliferación desregulada. 4.4. Conocerá sobre la capacidad celular de percibir daño a su material genético, o bien señales erróneas de proliferación y la decisión de promover mecanismos de muerte celular.

Ciclo celular y cáncer

DESBALANCE = TRANSFORMACION CELULAR Los tejidos de un organismo multicelular mantienen su tamaño gracias a una estricta regulación de ciclo celular y apoptosis acorde a las señales extracelulares e intracelulares que perciben las células Falta de nutrientes Radiación UV Infección viral Estrés térmico Mitogenos Hormonas Factores de crecimiento DESBALANCE = TRANSFORMACION CELULAR

Cáncer El cáncer es un conjunto de enfermedades en las que el organismo produce un exceso de células malignas, las cuales tienen un índice de crecimiento y división más allá de los límites normales Potencialmente, cualquier célula puede llegar a ser cancerosa.

Cáncer = desbalance entre división celular y muerte

Tumores benignos y malignos Tumor benigno: las células permanecen en su sitio de origen y no se diseminan a otro tejidos. Se eliminan fácilmente por cirugía. Por ejemplo una verruga Tumor maligno: es capaz de invadir otros tejidos. Su tratamiento es muy complicado

Metástasis: invasión a otros tejidos

Clasificación del cáncer, dependiendo del tipo celular Carcinoma: células epiteliales (90% de los conocidos) Sarcoma: células de tejido conectivo (músculo, hueso o cualquier tejido fibroso) Leucemia y linfoma: el primero es en células de la sangre y el segundo en células del sistema inmune (8% en humanos)

Fases de desarrollo del cáncer Iniciación: mutación en una o varias células, ciclo celular alterado Progresión: mutaciones adicionales que brindan ventaja selectiva a la célula, selección clonal

El cáncer es el resultado de la acumulación de anormalidades en una célula

Factores que promueven el desarrollo del cáncer Ambientales químicos: ésteres de forbol, asbestos, hormonas esteroideas físicos: rayos UV, X o gamma biológicos: virus (retrovirus, papiloma) y bacterias (Helicobacter pylori) Genéticos mutaciones en genes que regulan el ciclo celular Para que una célula se transforme (se haga cancerosa) es necesaria la combinación de dos o más de estos factores

Agentes iniciadores: generan daño a nivel de DNA Agentes promotores: inducen división celular

Características de las células cancerosas No sufren inhibición por contacto Producen sus propios factores de crecimiento: estimulación de crecimiento autócrina Producen menos moléculas de adhesión en su superficie (esto promueve la metástasis) Secretan proteasas que rompen la matriz extracelular de tejidos adyacentes y les permiten colonizarlos Secretan factores de crecimiento que promueven la generación de vasos sanguíneos a su alrededor (angiogenesis) Por lo general fallan en diferenciarse No presenta apoptosis

Factores genéticos Alteraciones en protooncogenes o en genes supresores de tumores Mutaciones más frecuentes: puntuales amplificación de segmentos de DNA translocaciones cromosómicas Protooncogenes Genes que pueden convertirse en oncogenes Los oncogenes estimulan la proliferación celular Genes supresores de tumores Detienen la proliferación celular

Ciclo celular

En organismos unicelulares, el avance en el ciclo celular depende fuertemente del ambiente

La frecuencia de división y/o crecimiento depende del tipo celular La mayor parte de las células diferenciadas de los organismos pluricelulares permanecen en G0 indefinidamente. Las neuronas nunca vuelven a entrar en G1 Las células cancerosas son incapaces de entrar en G0 y se dividen de manera continua Las células embrionarias se dividen cada treinta minutos Células embrionarias

Los factores de crecimiento y las hormonas son señales para continuar o detener el crecimiento/división celular

Factores de crecimiento y citocinas Fuente Actividad EGF/ Factor de crecimiento epidérmico Glándula submaxilar Promueve proliferación de células del mesénquima, glía y epiteliales Eritropoietina Riñón Promueve proliferación y diferenciación de eritrocitos TGF / Factor de transformación  Células T y NK Inhibe proliferación de macrófagos y linfocitos Interleucina 3 Células T activadas Crecimiento de células hemetopoiéticas progenitoras Interleucina 12 Células B, macrófagos Proliferación de células NK Interferones Macrófagos, neutrófilos Inducción de síntesis de proteínas de membrana MHC

¿Qué es lo que hace que las células transiten a través del ciclo celular? Ciclinas y Cdk Las encargadas del control del ciclo celular son dos tipos de proteínas: - ciclinas - cinasas dependientes de ciclinas (Cdk) Las Cdk fosforilan diferentes proteínas que participan en el ciclo celular. La actividad de las CDKs dependen de su interacción con las ciclinas. El patrón o tipo de ciclinas presentes en cada fase del ciclo celular es específico.

Las ciclinas se sintetizan y se degradan en las diferentes fases del ciclo celular en las que participan

Las CDKs se unen con diferentes ciclinas a lo largo del ciclo celular Figure 17-2 Variations in CDK-cyclin activities throughout the cell cycle of a mammalian cell. The widths of the bands indicate the relative kinase activities of the various CDK-cyclin complexes. Note that different CDKs and cyclins can bind to one another to form different complexes, increasing the array of combinations of CDK-cyclin complexes that can form in the course of the cell cycle. [After H. Lodish, A. Berk, S. L. Zipursky, P. Matsudaira, D. Baltimore, and J. Darnell, Molecular Cell Biology, 4th ed. Copyright 2000 by W. H. Freeman and Company.] Tomado de Introduction To Genetic Analysis 8ed

El ciclo celular progresa solo si las condiciones son las óptimas

Tipos principales de Ciclinas Ciclinas G1/S: promueven el crecimento de la célula y la preparan para la replicación de su DNA Ciclinas S: son indispensables para la replicación del DNA Ciclinas M: regulan los eventos de la mitosis Ciclinas D: determinan si la célula entra o no en G0

Complejos Ciclina-Cdk a lo largo del ciclo celular

Regulación de los complejos ciclina/CDK Los complejos ciclina/CDK se regulan por cuatro mecanismos: Asociación de la CDK con su ciclina específica: niveles de síntesis y degradación de ciclinas Activación/Inactivación del complejo mediante fosforilación Transporte Unión a proteínas inhibitorias

Asociación de la CDK con su ciclina específica: niveles de síntesis y degradación de ciclinas Para que los pasos a través del ciclo celular sean irreversibles, la ciclina se degrada por un mecanismo de proteólisis dependiente de ubiquitina, las dos más importantes son: SCF: actúa en las ciclinas G1 y S APC: actúa sobre ciclinas M

Activación del complejo ciclina/Cdk por fosforilación Se fosforila un residuo de treonina en la posición 160 de la Cdk por acción de la enzima CAK (Cdk-activating kinase) La ciclina y su correspondiente cinasa se pueden unir pero el complejo no es funcional hasta que es activado por la CAK

Fosforilación inhibitoria Fosforilación de los residuos de tirosina 15 en levaduras o treonina 14 en vertebrados, dichos aminoácidos se encuentran en el amino terminal de la Cdk Proceso catalizado por la cinasa Wee1.

Proteínas que inhiben la actividad de los complejos Ciclina/CDK Los complejos Cdk/ciclina también pueden ser regulados por la unión a proteínas inhibidoras llamadas CKIs, en células de mamífero las CKIs principales son: - Proteínas de la familia CIp/Kip, regulan la interfase G1/S - Proteínas de la familia Ink4 presentes en el punto de restricción en G1

Ciclinas D Responden a factores de crecimiento a través de la vía Ras/Rb/ERK Se encargan de proseguir a la fase S. Si el factor de crecimiento no está presente, la célula entra en G0

El ciclo celular está estrictamente regulado en distintos puntos En levaduras, el principal punto de control ocurre en G1 y está definido por señales externas

En mamíferos hay tres puntos de control del ciclo celular 1 2 3 La célula se prepara El DNA se replica Se corrigen errores Profase Pro-metafase Metafase Anafase Telofase G1/S CHECKPOINT

G1/S, en mamíferos depende de factores de crecimiento Si no hay factores de crecimiento la célula permanece en estado quiescente (G0) hasta que haya un estímulo

G2/M y ovogenesis Estradiol

Regulación de la replicación del DNA Complejo pre-replicativo S-Cdk/Ciclina A Inicio Replicación P

p53 censa el daño al DNA

Si la célula no puede reparar los daños, entra en apoptosis

Regulación de la mitosis

MPF es el regulador maestro de la mitosis MPF (Maturation Promoting Factor) está formado por la Cliclina B y la Cdk2 Cdk2

Ruptura de la membrana nuclear Los componentes principales de la membrana nuclear se ven afectados por la actividad del MPF La membrana nuclear se fragmenta en vesículas Los poros nucleares se disocian La lámina nuclear se despolimeriza

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

Las cohesinas unen a las dos cromátidas hermanas

Transición metafase/anafase Degradación de las proteínas Smc1 (cohesina) y de la ciclina B

Reensamblaje de la membrana nuclear

Regulación del ciclo celular Señales extracelulares G0 Diferenciación Apoptosis

Factores genéticos Alteraciones en protooncogenes o en genes supresores de tumores Mutaciones más frecuentes: puntuales amplificación de segmentos de DNA translocaciones cromosómicas Protooncogenes Genes que pueden convertirse en oncogenes Los oncogenes estimulan la proliferación celular Genes supresores de tumores Detienen la proliferación celular

1 mutación súper-activa del oncogen es suficiente para promover cáncer Oncogenes vs Genes supresores de tumores 1 mutación súper-activa del oncogen es suficiente para promover cáncer Se requieren 2 mutaciones sobre el gen supresor para eliminar su actividad y promover cáncer

Se requieren dos mutaciones sobre el gen supresor de tumores para eliminar su actividad y promover cáncer

Protooncogenes En general, estimulan el crecimiento y división celular En cáncer, sufren mutaciones de ganancia de función A un protooncogen mutado se le llama ONCOGEN

Diferentes formas por las que se puede generar un oncogen

Protooncogenes: Ciclina D1 De manera normal, promueve la entrada a la fase S Relacionado con cáncer de vejiga, de mama, de pulmón y de esófago Las mutaciones más frecuentes son de translocación o amplificación

Protooncogenes: Familia génica Ras Modifica moléculas que intervienen en la transducción de señales de regulación del crecimiento y división celular Mutados en más del 40% de los tumores humanos Presenta mutaciones no conservativas en un solo aminoácido

Genes Supresores de Tumores En general, regulan los puntos de control del ciclo celular o inician el proceso de apoptosis Detienen el crecimiento en respuesta a daño a DNA o a señales extracelulares o participan en la reparación de DNA dañado En cáncer, sufren mutaciones de pérdida de función

p53 Guardián del genoma Mutado en más del 50% de los cánceres Es un factor de transcripción que reprime o estimula la transcripción de más de 50 genes Responde a daño en el DNA, detiene el ciclo celular y estimula la reparación de los daños o estimula la apoptosis si los daños no son reparados

p53 Promueve la apoptosis, activa Bax (proapoptótica) y reprime a Bcl2 (antiapoptótica)

Genes Supresores de Tumores RB1 Codifica a la proteína de retinoblastoma, pRB. Esta proteína reprime el paso de G1 a S Mutado en cáncer de mama, pulmón y vejiga El gen mutado es un gen recesivo

BRCA1 Las mujeres que heredan una mutación en este gen tienen 60% más de probabilidad de desarrollar cáncer de mama después de los 50 años, mientras que las que tienen el gen normal tienen sólo un 2% de probabilidad Repara genes PTEN, que son supresores de tumores

Oncovirus Virus que promueven el desarrollo de cáncer: Virus de la hepatitis B (dsDNA) y virus de la Hepatitis C (ssRNA): carcinoma hepatocelular Virus de Epstein-Bar (dsDNA): mononucleosis infecciosa (enfermedad del beso) y diversos tipos de linfoma Virus del Papiloma Humano (dsDNA): cáncer cervicouterino Expresan oncogenes o promueven la expresesión de protooncogenes de la célula hospedera

Virus del Papiloma Humano

Oncogenes del papilomavirus: E7 y E6

Algunas sustancias anti-proliferativas Modo de acción Hidroxiurea Inhibidor de la ribonucleótido reductasa Análogos de acido fólico (metotrexato) Inhibidor de la dihidrofolato reductasa (síntesis de DNA) Análogos de pirimidina (5-fluorouracilo) Inhibe timidilato sintetasa, se incorpora en RNA Análogos de purina (6-mercaptopurina) Inhibición de enzimas para la síntesis de DNA Colchicina Inhibe el paso de metafase a anafase, actúa sobre las proteínas del huso mitótico Vinblastina Interacciona con tubulina, interfiere con el huso mitótico

Tratamiento para leucemia La droga bloquea la vía del oncogen

An Immune System Trained to Kill Cancer September 13, 2011 http://www.nytimes.com/2011/09/13/health/13gene.html?pagewanted=1&_r=1&nl=health&emc=healthupdateema2

Resumen de cáncer