Introducción: Cáncer

1. EL CICLO CELULAR.

El conjunto de sucesos por los que una célula se divide y da lugar dos células hijas se conoce como ciclo celular. Las células crecen aumentando por un lado, su contenido molecular y de orgánulos y por otro, duplican y segregan su dotación cromosómica. Este crecimiento se produce de manera muy controlada y ordenada.

1.1 Fases del ciclo celular

Cada una de las fases del ciclo aparece de forma ordenada y correlativa, a la fase G1 le sigue fase de síntesis S, seguida de la fase G2 y mitosis M. Es decir el ciclo celular consta de cuatro fases.

FASE G1

La fase G1 es el intervalo previo a la fase S y es la que sigue a la Mitosis.

Durante este tiempo la célula dobla su tamaño y su masa debido a la síntesis continua de todos los componentes como resultado de la transcripción y traducción de genes que codifican proteínas del fenotipo de cada tipo de célula. Para que estos sucesos ocurran y cursen con normalidad es necesario que se produzcan los estímulos adecuados, es decir se debe de producir la estimulación por mitógenos extracelulares y factores de crecimiento, lo que implican la continuación del ciclo o lo contrario la detención de este proceso en lo que se denomina fase G0. Existen células que son capaces de detener su división por un tiempo indefinido. Dentro de la fase G1 existe un punto de control que se denomina Punto de Control de Restricción R, en el que se comprueba que los procesos anteriores se realizaron correctamente y en las condiciones adecuadas. Si se detecta daño en el ADN o la síntesis se ha realizado de manera errónea, se retrasa la entrada en la fase mitótica para permitir la reparación de

ADN o detener el ciclo de forma indefinida.

FASE S

Es la fase de síntesis de ADN. Durante esta fase se produce la replicación del ADN y cada cromosoma presenta dos cromátidas. Expresándose histonas y enzimas relacionadas con estos procesos, como el PCNA (Antígeno nuclear de proliferación celular), una subunidad de la ADN polimerasa δ, la timidilato sintasa y la ribonucleótido reductasa. Estas proteínas se desplazan del citoplasma al núcleo en esta fase.

FASE G2

Durante esta fase la célula se prepara para entrar en la división celular, sigue creciendo y sintetiza nuevas proteínas. Existe en esta fase otro punto de control, denominado Control M, que determina si la célula debe entrar en fase M y dividirse.

FASE M

La división celular es la fase más corta de todo el ciclo. El crecimiento celular y la producción de proteínas se detienen en esta fase del ciclo y toda la energía de la célula se dedica al proceso de división celular. Durante esta fase aparece la figura del huso acromático, encargado de ordenar y repartir equitativamente el mismo número de cromosomas a cada célula hija. Al igual que en la fase G1 y G2, existe un punto de control denominado Control de la Metafase. En la regulación de este punto de control están involucradas distintas familias de proteínas.

Entre los factores que regulan la entrada en la Fase M se encuentran:

- La necesidad de que la Fase S se haya completado, para que las células hijas reciban la misma dotación cromosómica (Replicación Cromosómica).

- El factor de masa: acumulación de masa celular.

- El tiempo entre las sucesivas fases M.

- La Tasa de crecimiento.

1.2 Proteínas reguladoras del Ciclo Celular

La maquinaria del ciclo celular está regulada por una compleja red de proteínas que se expresan de forma ordenada en los distintos puntos de control y que promueven el inicio de los eventos específicos de este proceso. Las proteínas básicas responsables de activar los diferentes pasos del metabolismo celular son las Cinasas, responsables de transferir grupos fosfatos a los aminoácidos de otras proteínas.

En el ciclo celular las cinasas reciben el nombre de Cinasas dependientes de Ciclinas (CDK), porque su actividad depende de la acción de otras unidades proteicas denominadas Ciclinas, tanto es así que sin ellas estas cinasas son inactivas. Existen diferentes complejos de cinasas dependientes de ciclinas que se forman en las distintas fases del ciclo y cada uno de ellos fosforila diferentes proteínas. La concentración de CDK durante el ciclo suele ser constante, mientras que la concentración de ciclinas puede variar. Actualmente se han identificado nueve CDK y 16 ciclinas (A, B1, B2, C, D1, D2, D3, E, F, G1, G2, H, I, K, T1 y T2.

Implicación de las ciclinas en el ciclo celular

Como se ha mencionado anteriormente, las ciclinas son las unidades reguladoras del ciclo celular, aumentando o disminuyendo su concentración en respuesta a la fase del ciclo en el que se encuentren. Existen diferentes genes que codifican para las distintas ciclinas y CDK del ciclo celular.

1. Ciclinas y CDK de la Fase G1: Durante esta fase intervienen las ciclinas: D y E y las CDK: CDK2, CDK 4, CDK 5 y CDK 6.

1.1 Ciclinas de tipo D: Se han identificado distintas ciclinas de tipo D, entre las más representativas implicadas en el ciclo celular están la D1, D2 y D3 que se asocian con CDK 4 y CDK 6. Los compuestos ciclina-CDK entran en el núcleo, donde son activados por las cinasas activadoras de CDK.

Las ciclinas D permiten conectar la maquinaria del ciclo celular con las señales externas.

Las ciclinas E, están básicamente asociadas a las CDK2, su síntesis se inicia al final de la fase G1 y forma un pico al inicio de la fase S, regulando la transición G1/S y siendo seguidamente degradada con rapidez.

Los complejos CDK/ciclinas E y CDK/ciclina D que permiten fosforilar Prb inactivando así su actividad supresora del crecimiento. La ciclina E se encuentra bajo control del promotor de la ciclina D1, por tanto la relación jerárquica entre estas dos ciclinas queda genéticamente demostrada.

2. Ciclinas y CDK de la Fase G2/M: Durante esta fase se expresan otros dos tipos de ciclinas, las ciclinas A y B.

La ciclina A inicia su síntesis al final de la fase G1, en el inicio de la síntesis de ADN y alcanza su concentración máxima al final de G2, siendo degradada al inicio de la mitosis. Esta ciclina se asocia primero con CDK2 y después con CDC2 y actúa fosforilando helicasas que junto con otras enzimas, como las topoisomerasas, contribuyen a la apertura de la doble hélice de ADN.

Esta asociación se mantiene hasta G2, donde se induce la aparición de ciclinas tipo B, las cuales forman complejos con CDC2 (CDK1). Se han detectado dos tipos de ciclina B, la B1 y B2 ambas inician su síntesis al inicio de la fase S. El complejo B-CDK1 se regula a través de la acción de dos enzimas: Wee1 cinasa y CDC25 Fosfatasa, mediante procesos de fosforilación y desfoforilación de treoninas. Durante la fase G2, Wee 1 es más activa que la CDC25 y mantiene la ciclina B inactiva. Esta ciclina también se regula por su localización celular, el complejo formado en G2 se mantiene en el citoplasma hasta la mitosis y en esta fase se localiza en el núcleo. Durante esta fase, la célula continua creciendo y produciendo nuevas proteínas y al final el punto de control G2 determina si la célula puede proceder a entrar en la fase M y dividirse.

Para entrar en la fase M se requiere la proteolísis de Wee1 cinasa mediada por CDC34 que se encuentra inhibida si la replicación de DNA está bloqueada.

CDC25 es activada en la profase, activándose así CDC2/Ciclina B, preparándose así para la entrada en mitosis.

Control del Ciclo Celular a través de las ciclinas

Como ya se mencionó anteriormente los complejos C-CDK son además controlados por los productos de diversos genes. La regulación del ciclo celular mediante inactivación de CDK ocurre durante el desarrollo, diferenciación, senescencia y la muerte celular y desempeña un papel fundamental en la prevención de la tumorogénesis.

El conjunto de proteínas que regulan de forma negativa la actividad de la C-CDK durante el ciclo celular se conocen con el nombre de CKI (Inhibidores de las ciclinas) y su expresión es la respuesta a señales que se reciben extracelularmente.

El primer CKI identificado en mamíferos fue p21. Esta proteína tiene una actividad biológica doble, por un lado forma complejos con la C-CDK en G1 inhibiendo su acción y por otro lado se une al PCNA (Antígeno nuclear de proliferación celular), inhibiendo así la síntesis de ADN. Otra proteína importante en la evolución del ciclo celular es la P27, que se expresa en células quiescente, cuando la célula no recibe señales mitogénicas, la acumulación de p27 se necesita para abandonar el ciclo celular y entrar en estado quiescente. Esta proteína está implicada en la mediación de algunas señales inhibitorias de crecimiento, como TGF-β, en el crecimiento inhibido por contacto y forma, además, complejos con D-CDK4 y 6.

Otras proteínas implicadas son la p16, p18, p15 y p19. Estas proteínas sólo actúan con las ciclinas CDK2 y CDK4 previniendo su unión a las ciclinas tipo D.

Se encuentran expresadas específicamente en tejidos, lo que sugiere que no son redundantes. Aunque la manera en que son reguladas no se conoce, a excepción de p15 que se encuentra regulada por TGF- β.

1.3 Cáncer y ciclo celular

La regulación anormal del ciclo celular, es característica del cáncer. Es esencial que la maquinaria genética responsable de la correcta replicación y segregación cromosómica permanezca intacta y exenta de cualquier alteración y agresión, si esto no es así y aparecen mutaciones, delecciones o amplificaciones génicas, el resultado podrá ser una proliferación celular anormal y descontrolada.

Así los procesos oncogénicos actúan principalmente lesionando diversos reguladores que ejercen su acción en la fase G1 del ciclo. El conocimiento de los eventos que acontecen en el punto de restricción R, es de gran importancia para entender el proceso que lleva a las células tumorales a seguir en el ciclo y no diferenciarse de forma normal.

El punto de restricción R

La proteína Rb (pRB) desempeña un papel fundamental en la regulación de la progresión de la fase G1 en el punto de restricción. No se observa que esta proteína tenga regulación transcripcional por lo que este gen se expresa constitutivamente en células en división o en reposo. Este hecho apunta a una regulación de esta proteína postranscripcionalmente. Cuando la proteína Rb no se encuentra fosforilada o está hipofosforilada puede bloquear el punto R, uniéndose al factor de transcripción E2F e inhibiendo su transcripción. Así, si CDK4 o CDK6 fosforila a pRB esta se disocia de E2F y se produce la transcripción de los genes diana, manteniéndose hiperfosforilada a lo largo del ciclo y no se desfosforila hasta que se complete la mitosis.

p53: Este gen al igual que la pRB está mutado en un 50% de los tumores humanos. Este proceso parece producirse en eventos tardíos del desarrollo del cáncer. El gen p53, es un gen supresor de tumores, la mayoría de las mutaciones que se encuentran son mutaciones puntuales, es decir cambios de un aminoácido por otro, estas mutaciones suponen un cambio de función o inactivan la función supresora de la proteína.

La proteína p53 es básicamente un regulador de la expresión génica que actúa como factor de transcripción capaz de activar y reprimir genes específicos, que tienen como finalidad controlar la apoptosis. Entre estos genes se encuentran el gen p21, gen de la ciclina G o el MDM-2. El gen p53, puede además, inhibir la expresión génica y controlar la apoptosis independientemente de la transcripción, mediante interacción indirecta con algunos componentes protéicos como el Factor Basal de la transcripción (TFIID) o el factor de replicación de DNA RPA, inhibiendo de esta forma la entrada en la fase S.

Por tanto, el p53 controla el ciclo celular para reparar las posibles lesiones que se hayan producido, sin embargo, si estas son excesivas e irreparables, p53 activa la vía de la apoptosis.

2. ONCOGENES Y GENES SUPRESORES.

Todas las células del organismo están sometidas a un riguroso control que abarca tanto su potencia de proliferación y diferenciación como la muerte celular por senescencia o apoptosis. El equilibrio entre proliferación, diferenciación y apoptosis constituye la base de la homeostasis de los órganos y tejidos. La regulación de todos estos eventos, procede de señales extracelulares, a través de factores de diferenciación, hormonas y factores relacionados con la muerte celular o apoptosis.

Los procesos de proliferación y diferenciación celular son esenciales para la formación, reparación y mantenimiento de la adecuada funcionalidad de todos los tejidos como ya se ha mencionado. Estos procesos se controlan mediante estímulos tanto negativos como positivos que actúan sobre la célula. En condiciones normales la actividad de los genes que codifican tanto para los factores de crecimiento, receptores y transmisores de señales mitogénicas están muy controlados. Así la proliferación celular puede ser suprimida por las limitaciones impuestas por factores mitogénicos o por la acción de factores antimitogénicos que actúan a través de receptores de membrana. Un caso conocido es el del Factor de crecimiento tumoral β (TGF β) que inhibe la proliferación celular a través de receptores con actividad serina/treonina cinasa, que activan directamente factores de transcripción específicos denominados Smad. Las señales de estos receptores inducen la inhibición de las cinasas CDK en la fase G1, impidiendo la progresión del ciclo celular.

Otro mecanismo de regulación celular, es la muerte celular programada o lo que es lo mismo apoptosis celular, término acuñado por Kerr en 1972. Este proceso se lleva a cabo en células en condiciones fisiológicas tanto normales como patológicas.

Así en condiciones fisiológicas el número de células que integran un organismo resulta del equilibrio entre los procesos de proliferación y suicidio celular. Este equilibrio es esencial para la supervivencia del organismo. El proceso de apoptosis está controlado por una serie de proteínas denominadas Caspasas, además de estar implicados en esta regulación, multitud de genes, principalmente de la familia del bcl-2 y por proteínas inhibidoras de la apoptosis, las IPA. Algunos de los genes que interrumpen el ciclo celular también se encargan de conducir a las células hacia el proceso de apoptosis.

El proceso de apoptosis, no sólo es importante, como ya hemos mencionado antes, en el desarrollo y mantenimiento de los organismos pluricelulares o de la morfogénesis y sinaptogénesis durante el desarrollo embrionario, sino que es un mecanismo de defensa para eliminar las células que no se necesitan o que son potencialmente peligrosas, como linfocitos autoreactivos, células infectadas por virus o células que portan alteraciones genéticas, incluyendo a las células tumorales.

Una excepción a todo este proceso de regulación celular, la constituye la célula tumoral. Su principal característica es su capacidad para propagarse indefinidamente en su ubicación normal o de crecer en localizaciones que no son su emplazamiento natural, eventos que ocurren debido a la pérdida de control de su proliferación, diferenciación o de la respuesta a las señales de apoptosis celular.

Todos estos procesos de diferenciación, proliferación y apoptosis requieren la intervención de sistemas de transmisión de señales, entre las que se encuentran factores difusibles que interaccionan y activan receptores específicos de células efectoras, lo que conlleva la puesta en marcha de un complejo sistema de transmisión de señales intracelulares cuyo final será la activación de factores de transcripción específicos. Así, los componentes implicados en cada uno de los procesos de diferenciación, proliferación y apoptosis son diferentes, o, puede ocurrir que las señales recibidas por la célula efectora sean interpretadas de forma diferente.

En el caso de enfermedades como el cáncer, los recientes avances en biología molecular han permitido identificar centenares de genes implicados directamente con la aparición de tumores. Aquí nos centraremos principalmente en dos tipos: oncogenes y genes supresores de tumores.

2.1 Oncogenes

Los oncogenes son el resultado de alteraciones genéticas en genes normales, denominados protooncogenes, su función principal es la regulación de las rutas de señalización de la proliferación celular. En su condición de oncogenes presentan una regulación muy precisa, pero una vez aparece la mutación, se expresan de forma constitutiva, desarrollándose lo que se denomina una ganancia de función que implica que estas mutaciones sean siempre dominantes, es decir que la alteración de uno de los alelos es suficientes para imponer el fenotipo del alelo mutado (tabla 1). Se han identificado más de 50 oncogenes, divididos en distintos subgrupos o niveles con diferente tipo de actividad, encontrándose asociados con distintos tipos de cáncer. Por otra parte podemos agrupar las funciones de los genes inductores de transformación celular en base al esquema de funcionamiento de los genes normales.

Así tendríamos que en el control de la proliferación celular estarían implicados: factores de crecimiento, receptores para factores de crecimiento, proteínas citoplasmáticas y factores de transcripción.

Factores de crecimiento y hormonas: Los factores de crecimiento actúan uniéndose a receptores en la membrana celular que a su vez interaccionan con proteínas que transducen y amplifican un estímulo en el interior de la célula. Uno de los primeros oncogenes descritos fue el sis que corresponde al Factor de Crecimiento derivado de plaquetas tipo B (PDGF-B), un potente agente mitogénico. Otros factores de crecimiento bien estudiados son el factor de crecimiento de fibroblastos (FGF) o el factor de crecimiento epitelial (EGF).

Receptores: Entre los oncogenes con funciones semejantes a los receptores de de factores de crecimiento, se incluyen los receptores transmembranales con actividad tirosina quinasa. Los receptores activados oncogénicamente mejor estudiados corresponden a erb-B, receptor del factor de crecimiento epitelial (EGFr), o el factor estimulador de formación de colonias de macrófagos (FMS). El mecanismo de transformación está directamente relacionado con la capacidad de fosforilar residuos de tirosina en sustratos intracelulares.

Proteínas citoplasmáticas: La activación transitoria de los receptores se interpreta por la célula efectora mediante la conexión de diferentes sistemas. Así en primer lugar se produce la activación directa de cascadas de cinasas intracelulares que llevan la señal hasta el núcleo. Posteriormente se produce la activación de diversos enzimas que generaran segundos mensajeros, como pueden ser inositoles fosfato, cAMP, cGMP, Ca2+. Este complejo sistema, incluye diversas proteínas acopladoras como GTPasas de la familia ras (Ras y Rho), proteínas heterotriméricas y sus activadores, así como proteínas cinasas, lipasas y fosfatasas implicadas en la regulación de fosfolípidos.

Entre las cinasas citoplasmáticas se encuentran varias familias como MEKK, MEK, Raf-1 y ERK/MAPK. En este proceso carcinogénico están implicadas cinasas reguladoras de respuesta al estrés y apoptosis como (JNK/SAPKs, PAK, p38...etc) o las fosfatasas cuya función consiste en activar determinadas rutas. Otras proteínas, también implicadas son las proteínas G que comunican funcionalmente los receptores de los mensajeros primarios con las enzimas responsables de la generación de segundos mensajeros. Estas proteínas son responsables de unir e hidrolizar el GTP, de forma que sus ciclos de activación-inactivación depende de la conversión de GTP a GDP, regulando así la generación de segundos mensajeros.

Entre los oncogenes, la familia ras merece un apartado especial, debido a su importancia como oncogenes en tumores humanos. Se han descrito tres genes humanos ras, H-ras, K-ras, N-ras, de los tres el que mas se ha encontrado en humanos es el K-ras. Estos genes codifican proteínas con capacidad para unir e hidrolizar las GTP, siendo su forma activa el complejo p21-ras-GTP y su forma inactiva p21-ras-GDP. La inactivación de la proteína se produce como consecuencia de mutaciones puntuales que inducen una baja actividad GTPasa intrínseca o un aumento de su capacidad de intercambio espontáneo.

Entre las diversas familias de proteínas de la superfamilia Ras, destacamos por su relación con cáncer los miembros de la familia Rho, no sólo por su capacidad transformante sino porque están implicadas en el proceso de metástasis de las células transformadas, además parecen estar relacionadas con la inducción de apoptosis.

Factores de transcripción: Otro de los eventos implicados en la transducción de señales mitogénicas desde el citoplasma hacia el núcleo es la inducción de actividad transcripcional de las proteínas capaces de actuar como factores de transcripción de determinados genes involucrados en la proliferación celular. Entre estos genes están c-fos, cjun, c-myc. Las vías de activación de estos genes pueden depender de factores de transcripción que actúan como sustratos de enzimas con actividad cinasas, siendo este el caso de NF-Kb, SRF (elemento de respuesta al suero) o SIF (Factor inducido por medio condicionado de v-sis), estos últimos factores están involucrados en la activación transcripcional de c-FOS. NK-Kb está involucrado en la activación transcripcional de interleucinas, receptores de interleucinas, genes de inmunoglobulinas y del protooncogen c-myc.

Otra vía de activación de estos factores de transcripción es a través de la fosforilación de residuos de tirosina. Es el caso de los factores de crecimiento de EGF y PDGF que fosforilan la proteína p91 produciendo su translocación al núcleo y activando la transcripción entre otros de c-fos.

2.2 Genes Supresores

Su función es la regulación del ciclo celular, bloqueando la proliferación de las células. Este proceso implica la pérdida de función durante el proceso de carcinogénesis. Las mutaciones de estos genes son recesivas en cuanto a su capacidad de desarrollar tumores, es pues necesaria la anulación de los dos alelos para que la célula se convierta en cancerígena. Entre los genes supresores más conocidos están p53, RB (Retinoblastoma) o genes dependientes de ciclina (p16) o APC.

El p53: Es el gen codificante de la proteína p53... La mayoría de las mutaciones en el gen p53 encontradas en tumores humanos producen en la proteína la pérdida de la capacidad para unirse al ADN o su capacidad transcripcional. Es además un potente inhibidor de ciertos promotores celulares, al asociarse con la proteína de unión a la región TATA de los complejos transcripcionales mínimos o al factor de replicación RPA. Así la proteína p53 produce una serie de señales relacionadas con la inducción de proteínas inhibidoras de los complejos ciclina-cinasa, como son p21, ciclina G y el inhibidor de la propia p53 el MDM2, participando directamente en la regulación del ciclo celular. De otra parte, este gen participa en los procesos de reparación del daño en el ADN a través de GADD45, así mismo el producto del gen p53 es requerido para que las células inicien la apoptosis en respuesta a un daño genético. Así pues las células p53 deficientes en la expresión de la proteína p53son susceptibles de acumular mutaciones en su ADN.

APC: Dentro del grupo de genes supresores, el gen APC está considerado como un gen portero (gatekeeper) en contraposición a los genes responsables de cuidar la integridad del genoma (caretaker). Las mutaciones inactivadoras en este gen dejan la puerta abierta a posteriores alteraciones en genes complementarios del proceso carcinogénico, como p53 o ras, favoreciendo así la formación del carcinoma. La pérdida de APC o la aparición de mutaciones inactivadoras de su función provocan la pérdida de su capacidad para inhibir la β-catenina, permitiendo que ésta active al factor de transcripción Tcf-4, lo que permite la transformación celular. Este mismo fenómeno ocurre si las mutaciones ocurren sobre la propia β-catenina, ya que una vez mutada pierde la capacidad de ser regulada negativamente por APC.

3. ANGIOGÉNESIS

El proceso de angiogénesis consiste en desarrollo de nuevos vasos sanguíneos a partir de otros ya existentes. En determinadas situaciones fisiológicas, como la ovulación, el desarrollo embrionario o la cicatrización de heridas, es un proceso regulado de forma muy estricta, estimulándose en breves y concretos periodos de tiempo.

El crecimiento tumoral se inicia con la pérdida en el control de la proliferación celular. Las células comienzan a dividirse dando origen a un carcinoma in situ. A medida que aumenta la masa tumoral, las células se encuentra más alejadas de los capilares, lo que conlleva una pérdida del crecimiento por falta de oxigeno y nutrientes. Estos pequeños tumores permanecen latentes e incluso indetectables durante años, rara vez producen metástasis. La adquisición del fenotipo angiogénico, depende del equilibrio que pueda haber entre factores angiogénicos positivos y negativos (angiogenic switch). Tanto en condiciones normales como patológicas, la hipoxia es el principal motivo de iniciación de angiogénesis.

La neovascularización permite, además, la entrada de células a la circulación permitiendo así la colonización de otros órganos, paso que se conoce como metástasis y que completa el proceso metastásico.

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