Epigenética del cáncer - Cancer epigenetics

La epigenética del cáncer es el estudio de las modificaciones epigenéticas del ADN de las células cancerosas que no implican un cambio en la secuencia de nucleótidos, sino que implican un cambio en la forma en que se expresa el código genético. Los mecanismos epigenéticos son necesarios para mantener secuencias normales de expresión génica específica de tejido y son cruciales para el desarrollo normal. Pueden ser tan importantes, o incluso más importantes, que las mutaciones genéticas en la transformación de una célula en cáncer. La alteración de los procesos epigenéticos en los cánceres puede conducir a una pérdida de expresión de genes que ocurre aproximadamente 10 veces más frecuentemente por silenciamiento de la transcripción (causado por la hipermetilación del promotor epigenético de las islas CpG ) que por mutaciones. Como Vogelstein et al. señalar, en un cáncer colorrectal generalmente hay alrededor de 3 a 6 mutaciones de conductor y 33 a 66 mutaciones de autoestopista o pasajero. Sin embargo, en los tumores de colon en comparación con la mucosa colónica adyacente de apariencia normal, hay alrededor de 600 a 800 islas CpG fuertemente metiladas en promotores de genes en los tumores, mientras que estas islas CpG no están metiladas en la mucosa adyacente. La manipulación de alteraciones epigenéticas es muy prometedora para la prevención, detección y terapia del cáncer. En diferentes tipos de cáncer, se pueden alterar diversos mecanismos epigenéticos, como el silenciamiento de genes supresores de tumores y la activación de oncogenes por patrones de metilación de islas CpG alterados , modificaciones de histonas y desregulación de proteínas de unión al ADN . En la actualidad, se utilizan varios medicamentos que tienen un impacto epigenético en varias de estas enfermedades.

Patrones de epigenética en células normales y cancerosas

Alteraciones epigenéticas en la progresión tumoral

Mecanismos

Metilación del ADN

Un fragmento de molécula de ADN que está metilado en dos citosinas.

En las células somáticas, los patrones de metilación del ADN se transmiten en general a las células hijas con alta fidelidad. Típicamente, esta metilación solo ocurre en las citosinas que están ubicadas en 5 'con respecto a la guanosina en los dinucleótidos CpG de eucariotas de orden superior. Sin embargo, la metilación del ADN epigenético difiere entre las células normales y las células tumorales en los seres humanos. El perfil de metilación "normal" de CpG a menudo se invierte en las células que se vuelven tumorigénicas. En las células normales, las islas CpG que preceden a los promotores génicos generalmente no están metiladas y tienden a ser transcripcionalmente activas, mientras que otros dinucleótidos CpG individuales en todo el genoma tienden a estar metilados. Sin embargo, en las células cancerosas, las islas CpG que preceden a los promotores de genes supresores de tumores a menudo están hipermetiladas, mientras que la metilación de CpG de las regiones promotoras de oncogenes y las secuencias de repetición parasitarias a menudo disminuye.

La hipermetilación de las regiones promotoras del gen supresor de tumores puede resultar en el silenciamiento de esos genes. Este tipo de mutación epigenética permite que las células crezcan y se reproduzcan sin control, lo que conduce a la tumorigénesis. La adición de grupos metilo a las citosinas hace que el ADN se enrolle firmemente alrededor de las proteínas histonas, lo que da como resultado un ADN que no puede someterse a la transcripción (ADN silenciado transcripcionalmente). Los genes que se encuentran comúnmente silenciados transcripcionalmente debido a la hipermetilación del promotor incluyen: inhibidor de quinasa dependiente de ciclina p16 , un inhibidor del ciclo celular; MGMT , un gen de reparación del ADN ; APC , un regulador del ciclo celular; MLH1 , un gen de reparación del ADN; y BRCA1 , otro gen de reparación del ADN. De hecho, las células cancerosas pueden volverse adictas al silenciamiento transcripcional, debido a la hipermetilación del promotor, de algunos genes supresores de tumores clave, un proceso conocido como adicción epigenética.

La hipometilación de dinucleótidos CpG en otras partes del genoma conduce a la inestabilidad cromosómica debido a mecanismos como la pérdida de impronta y la reactivación de elementos transponibles . La pérdida de la impronta del gen del factor de crecimiento similar a la insulina (IGF2) aumenta el riesgo de cáncer colorrectal y se asocia con el síndrome de Beckwith-Wiedemann, que aumenta significativamente el riesgo de cáncer para los recién nacidos. En las células sanas, los dinucleótidos CpG de densidades más bajas se encuentran dentro de las regiones intergénicas codificantes y no codificantes . La expresión de algunas secuencias repetitivas y la recombinación meiótica en los centrómeros se reprimen mediante metilación.

El genoma completo de una célula cancerosa contiene significativamente menos metilcitosina que el genoma de una célula sana. De hecho, los genomas de las células cancerosas tienen entre un 20 y un 50% menos de metilación en los dinucleótidos CpG individuales en todo el genoma. Las islas CpG que se encuentran en las regiones promotoras suelen estar protegidas de la metilación del ADN. En las células cancerosas, las islas CpG están hipometiladas. Las regiones que flanquean las islas CpG llamadas costas de las islas CpG son donde se produce la mayor parte de la metilación del ADN en el contexto del dinucleótido CpG. Las células cancerosas se metilan de manera deferente en las costas de las islas CpG. En las células cancerosas, la hipermetilación en las costas de las islas CpG se mueve hacia las islas CpG, o la hipometilación de las islas CpG se mueve hacia las costas de las islas CpG, eliminando los límites epigenéticos definidos entre estos elementos genéticos. En las células cancerosas, la "hipometilación global" debida a la alteración de las metiltransferasas de ADN (DNMT) puede promover la recombinación mitótica y el reordenamiento cromosómico , lo que finalmente da como resultado una aneuploidía cuando los cromosomas no se separan correctamente durante la mitosis .

La metilación de la isla CpG es importante en la regulación de la expresión génica, pero la metilación de la citosina puede conducir directamente a mutaciones genéticas desestabilizadoras y a un estado celular precanceroso. Las citosinas metiladas hacen que la hidrólisis del grupo amina y la conversión espontánea a timina sean más favorables. Pueden provocar un reclutamiento aberrante de proteínas de cromatina . Las metilaciones de citosina cambian la cantidad de absorción de luz ultravioleta de la base de nucleótidos, creando dímeros de pirimidina . Cuando la mutación da como resultado la pérdida de heterocigosidad en los sitios de genes supresores de tumores, estos genes pueden volverse inactivos. Las mutaciones de un solo par de bases durante la replicación también pueden tener efectos perjudiciales.

Modificación de histonas

El ADN eucariota tiene una estructura compleja. Por lo general, se envuelve alrededor de proteínas especiales llamadas histonas para formar una estructura llamada nucleosoma . Un nucleosoma consta de 2 conjuntos de 4 histonas: H2A , H2B , H3 y H4 . Además, la histona H1 contribuye al empaquetamiento del ADN fuera del nucleosoma. Ciertas enzimas modificadoras de histonas pueden agregar o eliminar grupos funcionales a las histonas, y estas modificaciones influyen en el nivel de transcripción de los genes envueltos alrededor de esas histonas y en el nivel de replicación del ADN. Los perfiles de modificación de histonas de células sanas y cancerosas tienden a diferir.

En comparación con las células sanas, las células cancerosas presentan una disminución de las formas monoacetiladas y trimetiladas de la histona H4 (disminución de H4ac y H4me3). Además, los modelos de ratón han demostrado que una disminución en la dimetilación asimétrica de la histona H4R3 (H4R3me2a) del promotor p19ARF se correlaciona con casos más avanzados de tumorigénesis y metástasis. En modelos de ratón, la pérdida de acetilación y trimetilación de la histona H4 aumenta a medida que continúa el crecimiento del tumor. La pérdida de acetilación de la histona H4 Lisina 16 ( H4K16ac ), que es una marca de envejecimiento en los telómeros , pierde específicamente su acetilación. Algunos científicos esperan que esta pérdida particular de acetilación de histonas pueda combatirse con un inhibidor de histona desacetilasa (HDAC) específico para SIRT1 , una HDAC específica para H4K16.

Otras marcas de histonas asociadas con la tumorigénesis incluyen aumento de la desacetilación (disminución de la acetilación) de las histonas H3 y H4, disminución de la trimetilación de la histona H3 Lisina 4 ( H3K4me3 ) y aumento de la monometilación de la histona H3 Lisina 9 ( H3K9me ) y trimetilación de la histona H3 Lisina 27 ( H3K27me3 ). Estas modificaciones de histonas pueden silenciar los genes supresores de tumores a pesar de la caída en la metilación de la isla CpG del gen (un evento que normalmente activa los genes).

Algunas investigaciones se han centrado en bloquear la acción de BRD4 sobre histonas acetiladas, que se ha demostrado que aumentan la expresión de la proteína Myc , implicada en varios cánceres. El proceso de desarrollo del fármaco para unirse a BRD4 es digno de mención por el enfoque colaborativo y abierto que está adoptando el equipo.

El gen supresor de tumores p53 regula la reparación del ADN y puede inducir la apoptosis en células desreguladas. E Soto-Reyes y F Recillas-Targa aclararon la importancia de la proteína CTCF en la regulación de la expresión de p53. CTCF, o factor de unión CCCTC, es una proteína con dedos de zinc que aísla al promotor p53 de la acumulación de marcas de histonas represivas. En ciertos tipos de células cancerosas, la proteína CTCF no se une normalmente y el promotor p53 acumula marcas de histonas represivas, lo que hace que la expresión de p53 disminuya.

También pueden ocurrir mutaciones en la propia maquinaria epigenética, potencialmente responsables de los perfiles epigenéticos cambiantes de las células cancerosas. Las variantes de histonas de la familia H2A están muy conservadas en los mamíferos y desempeñan funciones fundamentales en la regulación de muchos procesos nucleares al alterar la estructura de la cromatina . Una de las variantes clave de H2A, H2A.X, marca el daño del ADN, lo que facilita el reclutamiento de proteínas reparadoras del ADN para restaurar la integridad genómica. Otra variante, H2A.Z, juega un papel importante tanto en la activación como en la represión de genes. Un alto nivel de expresión de H2A.Z se detecta en muchos cánceres y se asocia significativamente con la proliferación celular y la inestabilidad genómica. La variante de histona macroH2A1 es importante en la patogénesis de muchos tipos de cánceres, por ejemplo, en el carcinoma hepatocelular. Otros mecanismos incluyen una disminución en H4K16ac que puede ser causada por una disminución en la actividad de una histona acetiltransferasas (HAT) o un aumento en la desacetilación por SIRT1. Asimismo, una mutación de desplazamiento de marco inactivante en HDAC2 , una histona desacetilasa que actúa sobre muchas lisinas de cola de histonas , se ha asociado con cánceres que muestran patrones de acetilación de histonas alterados. Estos hallazgos indican un mecanismo prometedor para alterar los perfiles epigenéticos a través de la inhibición o mejora enzimática.

El daño al ADN , causado por la luz ultravioleta, la radiación ionizante , las toxinas ambientales y las sustancias químicas metabólicas, también puede provocar inestabilidad genómica y cáncer. La respuesta al daño del ADN a las roturas del ADN bicatenario (DSB) está mediada en parte por modificaciones de histonas. En un DSB, el complejo proteico MRE11 - RAD50 - NBS1 (MRN) recluta la quinasa ataxia telangiectasia mutada (ATM) que fosforila la serina 129 de la histona 2A. MDC1, mediador del punto de control 1 del daño del ADN, se une al fosfopéptido y la fosforilación de H2AX puede propagarse mediante un bucle de retroalimentación positiva del reclutamiento y fosforilación de MRN-ATM. TIP60 acetila el γH2AX , que luego es poliubiquitilado . RAP80 , una subunidad del complejo proteico de susceptibilidad al cáncer de mama tipo 1 que repara el ADN ( BRCA1- A), se une a la ubiquitina unida a las histonas. La actividad de BRCA1-A detiene el ciclo celular en el punto de control G2 / M , lo que deja tiempo para la reparación del ADN o puede iniciarse la apoptosis .

Silenciamiento de genes de microARN

En los mamíferos, los microARN (miARN) regulan aproximadamente el 60% de la actividad transcripcional de los genes que codifican proteínas. Algunos miARN también se someten a un silenciamiento asociado a la metilación en las células cancerosas. Let-7 y miR15 / 16 juegan un papel importante en la regulación negativa de los oncogenes RAS y BCL2 , y su silenciamiento ocurre en las células cancerosas. Se observó una disminución de la expresión de miR-125b1, un miARN que funciona como supresor de tumores , en cánceres de próstata, ovario , mama y células gliales . Los experimentos in vitro han demostrado que miR-125b1 se dirige a dos genes, HER2 / neu y ESR1 , que están relacionados con el cáncer de mama. La metilación del ADN, específicamente la hipermetilación, es una de las principales formas en que el miR-125b1 se silencia epigenéticamente. En pacientes con cáncer de mama, se observó hipermetilación de islas CpG ubicadas proximales al sitio de inicio de la transcripción. La pérdida de unión a CTCF y un aumento en las marcas de histonas represivas, H3K9me3 y H3K27me3, se correlaciona con la metilación del ADN y el silenciamiento de miR-125b1. Mecánicamente, CTCF puede funcionar como un elemento límite para detener la propagación de la metilación del ADN. Los resultados de los experimentos realizados por Soto-Reyes et al. indican un efecto negativo de la metilación sobre la función y expresión de miR-125b1. Por lo tanto, concluyeron que la metilación del ADN tiene un papel en el silenciamiento del gen. Además, algunos miARN se silencian epigenéticamente al principio del cáncer de mama y, por lo tanto, estos miARN podrían ser potencialmente útiles como marcadores tumorales. El silenciamiento epigenético de genes de miARN por metilación aberrante del ADN es un evento frecuente en las células cancerosas; casi un tercio de los promotores de miARN activos en las células mamarias normales se encontraron hipermetilados en las células del cáncer de mama, es decir, una proporción varias veces mayor que la que se suele observar para los genes que codifican proteínas.

Recodificación metabólica de la epigenética en el cáncer

La desregulación del metabolismo permite que las células tumorales generen los componentes básicos necesarios, así como modular las marcas epigenéticas para apoyar el inicio y la progresión del cáncer. Los cambios metabólicos inducidos por el cáncer alteran el panorama epigenético, especialmente las modificaciones en las histonas y el ADN, promoviendo así la transformación maligna, la adaptación a una nutrición inadecuada y la metástasis. La acumulación de ciertos metabolitos en el cáncer puede apuntar a enzimas epigenéticas para alterar globalmente el panorama epigenético. Los cambios metabólicos relacionados con el cáncer conducen a la recodificación de las marcas epigenéticas en un locus específico. La epigenética del cáncer se puede reprogramar con precisión mediante el metabolismo celular a través de 1) la modulación de la epigenética del cáncer en respuesta a la dosis mediante metabolitos; 2) reclutamiento específico de secuencia de enzimas metabólicas; y 3) direccionamiento de enzimas epigenéticas mediante señales nutricionales.

Reparación de microARN y ADN

El daño al ADN parece ser la principal causa subyacente del cáncer. Si la reparación del ADN es deficiente, el daño del ADN tiende a acumularse. Tal daño excesivo del ADN puede aumentar los errores mutacionales durante la replicación del ADN debido a la síntesis de translesión propensa a errores . El daño excesivo del ADN también puede aumentar las alteraciones epigenéticas debido a errores durante la reparación del ADN. Tales mutaciones y alteraciones epigenéticas pueden dar lugar a cáncer (ver neoplasias malignas ).

Las mutaciones de la línea germinal en los genes de reparación del ADN causan sólo del 2 al 5% de los casos de cáncer de colon . Sin embargo, la expresión alterada de microARN, que causa deficiencias en la reparación del ADN, se asocia frecuentemente con cánceres y puede ser un factor causal importante para estos cánceres.

La sobreexpresión de ciertos miARN puede reducir directamente la expresión de proteínas de reparación de ADN específicas. Wan y col. se refiere a 6 genes de reparación del ADN que son directamente dirigidos por los miARN indicados entre paréntesis: ATM (miR-421), RAD52 (miR-210, miR-373), RAD23B (miR-373), MSH2 (miR-21), BRCA1 (miR-182) y P53 (miR-504, miR-125b). Más recientemente, Tessitore et al. enumeró otros genes de reparación del ADN que son directamente dirigidos por miARN adicionales, incluidos ATM (miR-18a, miR-101), DNA-PK (miR-101), ATR (miR-185), Wip1 (miR-16), MLH1, MSH2 y MSH6 (miR-155), ERCC3 y ERCC4 (miR-192) y UNG2 (mir-16, miR-34c y miR-199a). De estos miRNA, miR-16, miR-18a, miR-21, miR-34c, miR-125b, miR-101, miR-155, miR-182, miR-185 y miR-192 se encuentran entre los identificados por Schnekenburger y Diederich sobreexpresado en cáncer de colon mediante hipometilación epigenética. La sobreexpresión de cualquiera de estos miARN puede causar una expresión reducida de su gen de reparación del ADN diana.

Hasta el 15% de las deficiencias de MLH1 en cánceres de colon esporádicos parecen deberse a la sobreexpresión del microARN miR-155 , que reprime la expresión de MLH1. Sin embargo, se encontró que la mayoría de 68 cánceres de colon esporádicos con expresión reducida de la proteína de reparación de errores de apareamiento de ADN MLH1 eran deficientes debido a la metilación epigenética de la isla CpG del gen MLH1 .

En el 28% de los glioblastomas, la proteína de reparación del ADN MGMT es deficiente pero el promotor MGMT no está metilado. En los glioblastomas sin promotores de MGMT metilados , el nivel de microARN miR-181d se correlaciona inversamente con la expresión de proteínas de MGMT y el objetivo directo de miR-181d es el ARNm de MGMT 3'UTR (las tres regiones principales no traducidas de ARNm de MGMT). Por tanto, en el 28% de los glioblastomas, la expresión aumentada de miR-181d y la expresión reducida de la enzima de reparación del ADN MGMT pueden ser un factor causal. En 29 a 66% de los glioblastomas , la reparación del ADN es deficiente debido a la metilación epigenética del gen MGMT , que reduce la expresión proteica de MGMT.

Las proteínas del grupo A de alta movilidad ( HMGA ), caracterizadas por un gancho AT , son proteínas pequeñas, no histonas, asociadas a la cromatina que pueden modular la transcripción. Los microARN controlan la expresión de las proteínas HMGA , y estas proteínas ( HMGA1 y HMGA2 ) son elementos arquitectónicos que controlan la transcripción de la cromatina. Palmieri y col. mostró que, en tejidos normales, los genes HGMA1 y HMGA2 son dirigidos (y por lo tanto fuertemente reducidos en expresión) por miR-15 , miR-16 , miR-26a , miR-196a2 y Let-7a .

La expresión de HMGA es casi indetectable en tejidos adultos diferenciados, pero está elevada en muchos cánceres. Las proteínas HGMA son polipéptidos de ~ 100 residuos de aminoácidos caracterizados por una organización de secuencia modular. Estas proteínas tienen tres regiones altamente cargadas positivamente, denominadas ganchos AT , que se unen al surco menor de tramos de ADN ricos en AT en regiones específicas de ADN. Las neoplasias humanas, incluidos los carcinomas tiroideo, prostático, cervical, colorrectal, pancreático y ovárico, muestran un fuerte aumento de las proteínas HMGA1a y HMGA1b. Los ratones transgénicos con HMGA1 dirigido a células linfoides desarrollan linfoma agresivo, lo que demuestra que la alta expresión de HMGA1 no solo se asocia con cánceres, sino que el gen HMGA1 puede actuar como un oncogén para causar cáncer. Baldassarre et al., Demostraron que la proteína HMGA1 se une a la región promotora del gen de reparación del ADN BRCA1 e inhibe la actividad del promotor BRCA1 . También mostraron que, si bien solo el 11% de los tumores de mama tenían hipermetilación del gen BRCA1 , el 82% de los cánceres de mama agresivos tienen una baja expresión de la proteína BRCA1, y la mayoría de estas reducciones se deben a la remodelación de la cromatina por los altos niveles de la proteína HMGA1.

La proteína HMGA2 se dirige específicamente al promotor de ERCC1 , reduciendo así la expresión de este gen de reparación del ADN. La expresión de la proteína ERCC1 fue deficiente en el 100% de los 47 cánceres de colon evaluados (aunque se desconoce hasta qué punto estaba involucrado HGMA2).

Palmieri y col. mostró que cada uno de los miARN que se dirigen a los genes HMGA se reducen drásticamente en casi todos los adenomas hipofisarios humanos estudiados, en comparación con la glándula pituitaria normal. De acuerdo con la regulación a la baja de estos miARN dirigidos a HMGA, se observó un aumento en los ARNm específicos de HMGA1 y HMGA2. Tres de estos microARN (miR-16, miR-196a y Let-7a) tienen promotores metilados y, por lo tanto, tienen baja expresión en el cáncer de colon. Para dos de estos, miR-15 y miR-16, las regiones codificantes se silencian epigenéticamente en el cáncer debido a la actividad de la histona desacetilasa . Cuando estos microARN se expresan en un nivel bajo, las proteínas HMGA1 y HMGA2 se expresan en un nivel alto. HMGA1 y HMGA2 se dirigen (reducen la expresión de) genes de reparación de ADN BRCA1 y ERCC1 . Por tanto, la reparación del ADN puede reducirse, contribuyendo probablemente a la progresión del cáncer.

Vías de reparación del ADN

Un cuadro de los agentes comunes que dañan el ADN, ejemplos de las lesiones que causan en el ADN y las vías utilizadas para reparar estas lesiones. También se muestran muchos de los genes en estas vías, una indicación de qué genes están regulados epigenéticamente para tener una expresión reducida (o aumentada) en varios cánceres. También muestra genes en la vía de unión de extremos mediada por microhomología propensa a errores con expresión aumentada en varios cánceres.

El cuadro de esta sección muestra algunos agentes que dañan el ADN con frecuencia, ejemplos de las lesiones del ADN que causan y las vías que se ocupan de estos daños en el ADN. Al menos 169 enzimas se emplean directamente en la reparación del ADN o influyen en los procesos de reparación del ADN. De estos, 83 se emplean directamente en la reparación de los 5 tipos de daños en el ADN ilustrados en la tabla.

En el gráfico se muestran algunos de los genes más estudiados que son fundamentales para estos procesos de reparación. Las designaciones de genes que se muestran en rojo, gris o cian indican genes con frecuencia alterados epigenéticamente en varios tipos de cánceres. Los artículos de Wikipedia sobre cada uno de los genes resaltados en rojo, gris o cian describen las alteraciones epigenéticas y los cánceres en los que se encuentran estas epimutaciones. Dos amplios artículos de encuestas experimentales también documentan la mayoría de estas deficiencias de reparación del ADN epigenético en los cánceres.

Los genes resaltados en rojo con frecuencia se reducen o silencian mediante mecanismos epigenéticos en varios cánceres. Cuando estos genes tienen una expresión baja o nula, se pueden acumular daños en el ADN. Los errores de replicación más allá de estos daños (ver síntesis de translesión ) pueden conducir a un aumento de las mutaciones y, en última instancia, al cáncer. La represión epigenética de los genes de reparación del ADN en vías precisas de reparación del ADN parece ser fundamental para la carcinogénesis .

Los dos genes, RAD51 y BRCA2 , resaltados en gris , son necesarios para la reparación recombinacional homóloga . A veces se sobreexpresan epigenéticamente y, a veces, se subexpresan en ciertos cánceres. Como se indica en los artículos de Wikipedia sobre RAD51 y BRCA2 , estos cánceres normalmente tienen deficiencias epigenéticas en otros genes de reparación del ADN. Estas deficiencias de reparación probablemente causarían un aumento de los daños en el ADN no reparado. La sobreexpresión de RAD51 y BRCA2 observada en estos cánceres puede reflejar presiones selectivas para la sobreexpresión compensatoria de RAD51 o BRCA2 y un aumento de la reparación recombinacional homóloga para tratar al menos parcialmente tales daños en exceso de ADN. En aquellos casos en los que RAD51 o BRCA2 están subexpresados , esto en sí mismo conduciría a un aumento de los daños del ADN no reparado. Los errores de replicación más allá de estos daños (ver síntesis de translesión ) podrían causar un aumento de mutaciones y cáncer, por lo que la expresión insuficiente de RAD51 o BRCA2 sería cancerígena en sí misma.

Los genes resaltados en cian se encuentran en la vía de unión de extremos mediada por microhomología (MMEJ) y están regulados positivamente en el cáncer. MMEJ es una vía de reparación inexacta propensa a errores adicional para roturas de doble hebra. En la reparación MMEJ de una rotura de doble hebra, una homología de 5-25 pares de bases complementarias entre ambas hebras emparejadas es suficiente para alinear las hebras, pero los extremos no emparejados (solapas) suelen estar presentes. MMEJ elimina los nucleótidos adicionales (solapas) donde se unen las hebras y luego liga las hebras para crear una doble hélice de ADN intacta. MMEJ casi siempre implica al menos una pequeña deleción, por lo que es una vía mutagénica. FEN1 , la endonucleasa de colgajo en MMEJ, aumenta epigenéticamente por la hipometilación del promotor y se sobreexpresa en la mayoría de los cánceres de mama, próstata, estómago, neuroblastomas, páncreas y pulmón. PARP1 también se sobreexpresa cuando su sitio ETS de la región promotora está epigenéticamente hipometilado, y esto contribuye a la progresión al cáncer de endometrio, cáncer de ovario con mutación en BRCA y cáncer de ovario seroso con mutación en BRCA. Otros genes de la vía MMEJ también se sobreexpresan en varios cánceres (consulte el resumen MMEJ ) y también se muestran en azul.

Frecuencias de epimutaciones en genes de reparación del ADN

Las deficiencias en las proteínas de reparación del ADN que funcionan en vías precisas de reparación del ADN aumentan el riesgo de mutación. Las tasas de mutación aumentan considerablemente en células con mutaciones en la reparación de errores de apareamiento del ADN o en la reparación recombinacional homóloga (HRR). Las personas con mutaciones heredadas en cualquiera de los 34 genes de reparación del ADN tienen un mayor riesgo de cáncer (consulte Defectos de reparación del ADN y mayor riesgo de cáncer ).

En los cánceres esporádicos, en ocasiones se encuentra que una deficiencia en la reparación del ADN se debe a una mutación en un gen de reparación del ADN, pero con mucha más frecuencia la expresión reducida o ausente de los genes de reparación del ADN se debe a alteraciones epigenéticas que reducen o silencian la expresión génica. Por ejemplo, para 113 cánceres colorrectales examinados en secuencia, solo cuatro tenían una mutación sin sentido en el gen MGMT de reparación del ADN , mientras que la mayoría tenía expresión reducida de MGMT debido a la metilación de la región promotora de MGMT (una alteración epigenética). De manera similar, de 119 casos de cánceres colorrectales deficientes en reparación de desajustes que carecían de expresión del gen de reparación del ADN PMS2 , la proteína PMS2 era deficiente en 6 debido a mutaciones en el gen PMS2 , mientras que en 103 casos la expresión de PMS2 era deficiente porque su compañero de emparejamiento MLH1 estaba reprimido debido a la metilación del promotor (la proteína PMS2 es inestable en ausencia de MLH1). En los otros 10 casos, la pérdida de expresión de PMS2 probablemente se debió a la sobreexpresión epigenética del microARN, miR-155, que regula negativamente MLH1.

Los defectos epigenéticos en los genes de reparación del ADN son frecuentes en los cánceres. En la tabla, se evaluaron múltiples cánceres en busca de expresión reducida o ausente del gen de reparación del ADN de interés, y la frecuencia que se muestra es la frecuencia con la que los cánceres tenían una deficiencia epigenética de expresión génica. Es probable que estas deficiencias epigenéticas surjan temprano en la carcinogénesis , ya que también se encuentran con frecuencia (aunque con una frecuencia algo menor) en el defecto de campo que rodea al cáncer del que probablemente surgió el cáncer (ver Tabla).

Parece que los cánceres pueden iniciarse con frecuencia por una reducción epigenética en la expresión de una o más enzimas reparadoras del ADN. La reparación reducida del ADN probablemente permite la acumulación de daños en el ADN. La síntesis de translesiones propensa a errores más allá de algunos de estos daños en el ADN puede dar lugar a una mutación con una ventaja selectiva. Un parche clonal con una ventaja selectiva puede crecer y competir con las células vecinas, formando un defecto de campo . Si bien no existe una ventaja selectiva obvia para que una célula tenga una reparación del ADN reducida, la epimutación del gen de reparación del ADN puede llevarse como pasajero cuando se replican las células con la mutación selectivamente ventajosa. En las células que portan tanto la epimutación del gen de reparación del ADN como la mutación con la ventaja selectiva, se acumularán más daños en el ADN y estos, a su vez, podrían dar lugar a mutaciones adicionales con ventajas selectivas aún mayores. Por tanto, los defectos epigenéticos en la reparación del ADN pueden contribuir a la alta frecuencia característica de mutaciones en los genomas de los cánceres y provocar su progresión carcinogénica.

Los cánceres tienen altos niveles de inestabilidad del genoma , asociados con una alta frecuencia de mutaciones . Una alta frecuencia de mutaciones genómicas aumenta la probabilidad de que ocurran mutaciones particulares que activan oncogenes e inactivan genes supresores de tumores, lo que conduce a la carcinogénesis . Sobre la base de la secuenciación del genoma completo , se encuentra que los cánceres tienen de miles a cientos de miles de mutaciones en todos sus genomas. (Consulte también Frecuencias de mutación en cánceres ). En comparación, la frecuencia de mutación en todo el genoma entre generaciones para los seres humanos (de padres a hijos) es de aproximadamente 70 nuevas mutaciones por generación. En las regiones codificantes de proteínas del genoma, solo hay alrededor de 0,35 mutaciones entre generaciones parentales / secundarias (menos de una proteína mutada por generación). La secuenciación del genoma completo en las células sanguíneas para un par de gemelos idénticos centenarios de 100 años de edad solo encontró 8 diferencias somáticas, aunque la variación somática que ocurre en menos del 20% de las células sanguíneas no se detectaría.

Si bien los daños en el ADN pueden dar lugar a mutaciones a través de la síntesis de translesiones propensa a errores , los daños en el ADN también pueden dar lugar a alteraciones epigenéticas durante los procesos de reparación del ADN defectuosos. Los daños en el ADN que se acumulan debido a los defectos epigenéticos de reparación del ADN pueden ser una fuente del aumento de las alteraciones epigenéticas que se encuentran en muchos genes de los cánceres. En un estudio inicial, al observar un conjunto limitado de promotores transcripcionales, Fernandez et al. examinaron los perfiles de metilación del ADN de 855 tumores primarios. Comparando cada tipo de tumor con su tejido normal correspondiente, 729 sitios de islas CpG (55% de los 1322 sitios CpG evaluados) mostraron metilación diferencial del ADN. De estos sitios, 496 estaban hipermetilados (reprimidos) y 233 estaban hipometilados (activados). Por tanto, existe un alto nivel de alteraciones de metilación de promotores epigenéticos en tumores. Algunas de estas alteraciones epigenéticas pueden contribuir a la progresión del cáncer.

Carcinógenos epigenéticos

Una variedad de compuestos se consideran carcinógenos epigenéticos; dan como resultado una mayor incidencia de tumores, pero no muestran actividad mutágena (también deben excluirse los compuestos tóxicos o patógenos que causan tumores que inciden en una mayor regeneración). Los ejemplos incluyen dietilestilbestrol , arsenito , hexaclorobenceno y compuestos de níquel .

Muchos teratógenos ejercen efectos específicos sobre el feto por mecanismos epigenéticos. Si bien los efectos epigenéticos pueden preservar el efecto de un teratógeno como el dietilestilbestrol durante toda la vida de un niño afectado, la posibilidad de defectos congénitos resultantes de la exposición de los padres o en la segunda y sucesivas generaciones de descendientes generalmente ha sido rechazada por motivos teóricos y por falta de evidencia. Sin embargo, se ha demostrado una variedad de anomalías mediadas por hombres y es probable que existan más. La información de la etiqueta de la FDA para Vidaza, una formulación de 5-azacitidina (un análogo no metilable de citidina que causa hipometilación cuando se incorpora al ADN) establece que "se debe advertir a los hombres que no engendren un hijo" mientras usan el medicamento, citando evidencia en ratones machos tratados de fertilidad reducida, mayor pérdida de embriones y desarrollo anormal de embriones. En ratas, se observaron diferencias endocrinas en la descendencia de machos expuestos a morfina. En ratones, se han descrito efectos de segunda generación del dietilestilbesterol que se producen por mecanismos epigenéticos.

Subtipos de cáncer

Cáncer de piel

El melanoma es un cáncer de piel mortal que se origina en los melanocitos. Se sabe que varias alteraciones epigenéticas desempeñan un papel en la transición de los melanocitos a las células del melanoma. Esto incluye la metilación del ADN que puede heredarse sin realizar cambios en la secuencia del ADN, así como silenciar los genes supresores de tumores en la epidermis que han estado expuestos a la radiación ultravioleta durante períodos de tiempo. El silenciamiento de genes supresores de tumores conduce a una fotocarcinogénesis asociada a alteraciones epigenéticas en la metilación del ADN, las metiltransferasas del ADN y la acetilación de histonas. Estas alteraciones son consecuencia de la desregulación de sus correspondientes enzimas. Varias histonas metiltransferasas y demetilasas se encuentran entre estas enzimas.

Cancer de prostata

El cáncer de próstata mata a unos 35.000 hombres al año, y alrededor de 220.000 hombres son diagnosticados con cáncer de próstata por año, solo en América del Norte. El cáncer de próstata es la segunda causa principal de muertes causadas por cáncer en los hombres, y en el transcurso de la vida de un hombre, uno de cada seis hombres tendrá la enfermedad. Las alteraciones en la acetilación de histonas y la metilación del ADN ocurren en varios genes que influyen en el cáncer de próstata y se han observado en genes implicados en la respuesta hormonal. Más del 90% de los cánceres de próstata muestran silenciamiento génico por hipermetilación en isla CpG del promotor del gen GSTP1 , que protege a las células prostáticas del daño genómico causado por diferentes oxidantes o carcinógenos . La reacción en cadena de la polimerasa específica de metilación (PCR) en tiempo real sugiere que muchos otros genes también están hipermetilados. La expresión génica en la próstata puede estar modulada por cambios en la nutrición y el estilo de vida.

Cáncer de cuello uterino

El segundo tumor maligno más común en las mujeres es el cáncer de cuello uterino invasivo (CCI) y más del 50% de todos los cánceres de cuello uterino invasivos (CCI) es causado por el virus del papiloma humano oncongénico 16 ( VPH16 ). Además, la neoplasia intraepitelial del cuello uterino (NIC) es causada principalmente por HPV16 oncogénico. Como en muchos casos, el factor causante del cáncer no siempre toma una ruta directa desde la infección hasta el desarrollo del cáncer. Los patrones de metilación genómica se han asociado con el cáncer de cuello uterino invasivo. Dentro de la región HPV16L1 , 14 sitios CpG probados tienen una metilación significativamente mayor en CIN3 + que en los genomas de HPV16 de mujeres sin CIN3 . Se encontró que solo 2/16 sitios CpG probados en la región reguladora aguas arriba de HPV16 tenían asociación con un aumento de metilación en CIN3 +. Esto sugiere que la ruta directa de la infección al cáncer a veces se desvía hacia un estado precanceroso en la neoplasia intraepitelial del cuello uterino. Además, se encontró un aumento de la metilación del sitio CpG en niveles bajos en la mayoría de los cinco genes nucleares del huésped estudiados, incluidos 5/5 TERT , 1/4 DAPK1 , 2/5 RARB , MAL y CADM1 . Además, 1/3 de los sitios CpG en el ADN mitocondrial se asociaron con un aumento de la metilación en CIN3 +. Por tanto, existe una correlación entre CIN3 + y el aumento de metilación de los sitios CpG en el marco de lectura abierto de HPV16 L1. Esto podría ser un biomarcador potencial para futuras pruebas de detección de enfermedades cervicales cancerosas y precancerosas.

Leucemia

Estudios recientes han demostrado que el gen de la leucemia de linaje mixto (MLL) causa leucemia al reorganizarse y fusionarse con otros genes en diferentes cromosomas, que es un proceso bajo control epigenético. Las mutaciones en MLL bloquean las regiones reguladoras correctas en translocaciones o inserciones asociadas a leucemia que causan transformación maligna controlada por genes HOX. Esto es lo que conduce al aumento de glóbulos blancos. Los genes relacionados con la leucemia son manejados por las mismas vías que controlan la epigenética, la transducción de señales, la regulación transcripcional y el metabolismo energético. Se indicó que las infecciones, los campos electromagnéticos y el aumento de peso al nacer pueden contribuir a ser las causas de la leucemia.

Sarcoma

Hay alrededor de 15,000 nuevos casos de sarcoma en los EE. UU. Cada año, y se proyecta que alrededor de 6,200 personas mueran de sarcoma en los EE. UU. En 2014. Los sarcomas comprenden una gran cantidad de tumores mesenquimales raros, histogenéticamente heterogéneos que, por ejemplo, incluyen condrosarcoma, Sarcoma de Ewing, leiomiosarcoma, liposarcoma, osteosarcoma, sarcoma sinovial y rabdomiosarcoma (alveolar y embrionario). Varios oncogenes y genes supresores de tumores están alterados epigenéticamente en los sarcomas. Estos incluyen APC, CDKN1A, CDKN2A, CDKN2B, Ezrin, FGFR1, GADD45A, MGMT, STK3, STK4, PTEN, RASSF1A, WIF1, así como varios miARN. La expresión de modificadores epigenéticos como la del componente BMI1 del complejo PRC1 está desregulada en condrosarcoma, sarcoma de Ewing y osteosarcoma, y ​​la expresión del componente EZH2 del complejo PRC2 está alterada en el sarcoma de Ewing y rabdomiosarcoma. De manera similar, la expresión de otro modificador epigenético, la histona desmetilasa LSD1, aumenta en condrosarcoma, sarcoma de Ewing, osteosarcoma y rabdomiosarcoma. El direccionamiento del fármaco y la inhibición de EZH2 en el sarcoma de Ewing, o de LSD1 en varios sarcomas, inhibe el crecimiento de células tumorales en estos sarcomas.

Métodos de identificación

Anteriormente, los perfiles epigenéticos se limitaban a genes individuales bajo el escrutinio de un equipo de investigación en particular. Recientemente, sin embargo, los científicos se han estado moviendo hacia un enfoque más genómico para determinar un perfil genómico completo de células cancerosas versus células sanas.

Los enfoques populares para medir la metilación de CpG en células incluyen:

• Secuenciación de bisulfito
• Análisis de restricción de bisulfito combinado (COBRA)
• PCR específica de metilación
• MethyLight
• Pirosecuenciación
• Escaneo genómico de referencia de restricción
• PCR cebada arbitraria
• Ensayo HELP (enriquecimiento de fragmentos minúsculos de HpaII mediante PCR mediada por ligación)
• ChIP-Chip de inmunoprecipitación de cromatina utilizando anticuerpos específicos para proteínas de dominio de unión de metil-CpG
• Inmunoprecipitación de ADN metilado Metil-DIP
• Perfiles de expresión génica a través de microarrays de ADN  : comparación de los niveles de ARNm de líneas celulares cancerosas antes y después del tratamiento con un agente desmetilante

Dado que la secuenciación de bisulfito se considera el estándar de oro para medir la metilación de CpG, cuando se utiliza uno de los otros métodos, los resultados generalmente se confirman mediante la secuenciación de bisulfito [1]. Los enfoques populares para determinar los perfiles de modificación de histonas en células cancerosas frente a células sanas incluyen:

• Espectrometría de masas
• Ensayo de inmunoprecipitación de cromatina

DIAGNÓSTICO Y PRONÓSTICO

Los investigadores esperan identificar perfiles epigenéticos específicos de varios tipos y subtipos de cáncer con el objetivo de utilizar estos perfiles como herramientas para diagnosticar a las personas de manera más específica y precisa. Dado que los perfiles epigenéticos cambian, a los científicos les gustaría utilizar los diferentes perfiles epigenómicos para determinar la etapa de desarrollo o el nivel de agresividad de un cáncer en particular en los pacientes. Por ejemplo, la hipermetilación de los genes que codifican la proteína quinasa asociada a la muerte (DAPK), p16 y la proteína de membrana epitelial 3 (EMP3) se han relacionado con formas más agresivas de cánceres de pulmón , colorrectal y cerebro . Este tipo de conocimiento puede afectar la forma en que los médicos diagnosticarán y elegirán tratar a sus pacientes.

Otro factor que influirá en el tratamiento de los pacientes es saber qué tan bien responderán a determinados tratamientos. Los perfiles epigenómicos personalizados de las células cancerosas pueden proporcionar información sobre este campo. Por ejemplo, MGMT es una enzima que invierte la adición de grupos alquilo al nucleótido guanina . Sin embargo, la alquilación de guanina es el mecanismo por el cual varios fármacos quimioterapéuticos actúan para alterar el ADN y causar la muerte celular . Por lo tanto, si el gen que codifica MGMT en las células cancerosas está hipermetilado y en efecto silenciado o reprimido, los fármacos quimioterapéuticos que actúan metilando la guanina serán más efectivos que en las células cancerosas que tienen una enzima MGMT funcional.

Los biomarcadores epigenéticos también se pueden utilizar como herramientas para el pronóstico molecular. En muestras de biopsia de tumor primario y ganglio linfático mediastínico , la hipermetilación tanto de CDKN2A como de CDH13 sirve como marcador para un mayor riesgo de una recaída más rápida del cáncer y una mayor tasa de muerte de los pacientes.

Tratamiento

decitabina

El control epigenético de las regiones proto-onco y las secuencias supresoras de tumores mediante cambios conformacionales en las histonas juega un papel en la formación y progresión del cáncer. Los productos farmacéuticos que revierten los cambios epigenéticos pueden tener un papel en una variedad de cánceres.

Recientemente, se sabe evidentemente que las asociaciones entre histotipos de cáncer específicos y cambios epigenéticos pueden facilitar el desarrollo de nuevos epi-fármacos. El desarrollo de fármacos se ha centrado principalmente en modificar la ADN metiltransferasa , histona acetiltransferasa (HAT) e histona desacetilasa (HDAC).

Los fármacos que se dirigen específicamente al patrón de metilación invertido de las células cancerosas incluyen los inhibidores de la ADN metiltransferasa azacitidina y decitabina . Estos agentes hipometilantes se utilizan para tratar el síndrome mielodisplásico , un cáncer de la sangre producido por células madre anormales de la médula ósea . Estos agentes inhiben los tres tipos de metiltransferasas de ADN activas y se pensaba que eran altamente tóxicos, pero demostraron ser efectivos cuando se usaban en dosis bajas, reduciendo la progresión del síndrome mielodisplásico a leucemia .

La histona desacetilasa (HDAC) inhibidores muestran una eficacia en el tratamiento de linfoma de células T . dos inhibidores de HDAC, vorinostat y romidepsina , han sido aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos . Sin embargo, dado que estos inhibidores de HDAC alteran el estado de acetilación de muchas proteínas además de la histona de interés, se requiere el conocimiento del mecanismo subyacente a nivel molecular de la respuesta del paciente para mejorar la eficacia del uso de tales inhibidores como tratamiento. Se ha descubierto que el tratamiento con inhibidores de HDAC promueve la reactivación de genes después de que los inhibidores de ADN metiltransferasas hayan reprimido la transcripción. Panobinostat está aprobado para ciertas situaciones de mieloma .

Otros objetivos farmacéuticos en investigación son las histonas lisina metiltransferasas (KMT) y las proteínas arginina metiltransferasas (PRMT). Un estudio preclínico ha sugerido que la lunasina puede tener efectos epigenéticos potencialmente beneficiosos.

Ver también

• Farmacoepigenética

Referencias