Capítulo 21: Bases moleculares del cáncer

El cáncer se caracteriza por ser una enfermedad multifactorial que afecta el crecimiento y la proliferación normal de las células, además de producir alteraciones en el proceso de diferenciación celular, lo que condiciona la formación de un tumor en un tejido específico. Por ello, el término cáncer implica, además de un descontrol en el crecimiento y la proliferación celular, una transformación maligna, es decir, una pérdida de las características y funciones normales de las células en un tejido. Estos procesos están influidos por alteraciones genéticas o epigenéticas de numerosos genes que codifican proteínas que regulan este proceso, contribuyendo a un fenotipo maligno. Asimismo, existen factores ambientales implicados en la tumorogénesis con una influencia determinante en algunos tipos de cáncer.

Para una mejor comprensión del control del ciclo celular, éste se puede esquematizar en forma analógica como un reloj biológico, el cual opera desde el núcleo de las células en donde existen y/o convergen diversos estímulos que inhiben o inducen la progresión del ciclo celular (figura 21-1).

En las células eucarióticas, el ciclo celular está compuesto de las fases G₁, S, G₂ y M. Su regulación es prioritaria y es controlada por la participación de diferentes proteínas llamadas ciclinas y cinasas dependientes de ciclinas (cyclin dependent kinases, CDK). Ambas actúan cooperativamente, en donde las CDK fosforilan ciertas ciclinas en un momento específico y permiten que la célula continúe el ciclo celular. Además, es importante considerar que entre las fases mencionadas existen puntos de control (checkpoints) que involucran una maquinaria compleja de proteínas que verifica si en la célula se dan las condiciones adecuadas o no para continuar con la fase siguiente del ciclo celular. Estos puntos controlan la progresión entre las fases G₁/S, G₂/M y M.

La regulación del ciclo celular involucra a las ciclinas y las cinasas dependientes de ciclinas (ver el capítulo 2, Ciclo celular), así como a otro tipo de proteínas, que son producto de los protooncogenes y los genes supresores de tumor que, de igual forma, participan de forma orquestada en este control, y cuyas funciones se revisarán a lo largo del capítulo (figura 21-2).

Es evidente la complejidad e importancia del control del ciclo celular, así como la participación múltiple y paralela de varios factores. Esto otorga el carácter multifactorial al cáncer y finalmente complica el restablecimiento de un fenotipo normal en células malignas.

De manera normal, las células responden a señales tanto internas como externas que estimulan la proliferación celular, lo que requiere de una regulación en la que participan diferentes proteínas que estimulan el ciclo celular. Entre los numerosos genes relacionados con la transformación maligna de células se encuentran dos grandes grupos, clasificados como oncogenes y genes supresores de tumores. Ambos presentan como denominador común su implicación en la proliferación celular.

Oncogenes

En 1910, Peyton Rous, del Instituto Rockefeller y ganador del Premio Nobel, experimentó con sarcoma de pollo. Al inyectar homogeinado de sarcoma libre de células en pollos sanos se inducía la misma clase de tumor, planteando la incógnita de cuál era el agente, molécula o factor responsable de la tumoración.

En las décadas siguientes se descubrió el agente etiológico de este padecimiento: un retrovirus denominado virus del sarcoma de Rous (Rous sarcoma virus, RSV). En 1970, se describe que uno de los genes del virus del sarcoma de Rous, el gen src, tiene la capacidad de transformar células normales en fenotipos malignos. El estudio de este gen en experimentos de hibridación in situ realizados por J. Michael Bishop y Harold E. Varmus, en la Universidad de California en San Francisco (1976), mostraron que células normales de pollo contenían algunos elementos del gen src, lo que dio lugar a la siguiente controversia: ¿cómo es posible que genes que se encuentran en el virus oncogénico (RSV) también lo hagan en células eucariotas normales? Estudios posteriores demostraron que versiones similares de genes virales oncogénicos se encuentran en células normales y participan en el proceso de proliferación celular. De hecho, el gen src pertenece a una familia cinasas de tirosina que participa en la regulación del desarrollo embrionario y crecimiento celular. Estos genes se denominaron protooncogenes, y con este antecedente histórico puede definirse a los protooncogenes como genes que codifican proteínas que regulan de manera normal y fisiológica la cascada de eventos que sirven para mantener el control de la progresión del ciclo celular y el estado normal de diferenciación de la célula. Se les antepone el prefijo “c” de “celular” para distinguirlos de las versiones virales, a las cuales se les antepone el prefijo “v” (por ejemplo, c-src –celular– y v-src –viral–). Las versiones alteradas de estos protooncogenes por mutaciones dan lugar a los oncogenes. En consecuencia, las funciones de los productos génicos de los protooncogenes y de los oncogenes son diferentes; en los oncogenes estos productos son las oncoproteínas. Estas proteínas actúan pleiotrópicamente provocando una serie de cambios tanto celulares como moleculares, según el nivel molecular específico en donde actúen.

De igual forma que los oncogenes, son determinantes en la evolución del cáncer. También los genes supresores de tumores o antioncogenes desempeñan un papel clave en la tumorogénesis, ya que operan restringiendo o suprimiendo la proliferación celular bajo ciertas condiciones. Estos genes son sumamente importantes, ya que para la formación tumoral maligna es necesaria su inactivación o pérdida, lo que les confiere una naturaleza recesiva. En 1986, se clona el primer gen supresor de tumores el retinoblastoma (Rb) y dos años después el gen p53, una molécula que por su importancia en el papel fisiológico la revista científica Science la denominó “la molécula del año”. En la actualidad, los avances en el estudio de los oncogenes y genes supresores de tumores han situado a p53 como el centro de atención del estudio de los procesos cancerígenos.

De esta manera, puede hablarse de genes relacionados con susceptibilidad al cáncer de mama, de un modelo que ha establecido una asociación entre lesiones histopatológicas y las diferentes mutaciones en protooncogenes y genes supresores de tumor, como es el cáncer de colon (teoría multipasos), y cómo el virus del papiloma humano es uno de los principales factores de riesgo para el desarrollo de cáncer cérvicouterino.

Protooncogenes y genes supresores de tumor de interés biomédico

Para profundizar en la comprensión del concepto de protooncogén es necesario revisar la cascada de eventos que conducen a la división celular.

Proteínas denominadas factores de crecimiento proporcionan un estímulo externo a la célula; estas proteínas, al unirse a su receptor en la membrana celular, interiorizan la señal autoactivándose como una enzima con capacidad de tirosina cinasa o a través de segundos mensajeros como puede ser proteínas G, con lo que se inicia una cascada de fosforilaciones en proteínas citoplasmáticas que finalmente modifican factores transcripcionales que se encuentran en el citoplasma y migran hacia el núcleo, uniéndose al DNA y activando la expresión de proteínas que inducen la división celular (figura 21-3A). Asimismo, existen señales inhibitorias que pueden frenar la división celular a través de mecanismos similares (figura 21-3B). Precisamente, el balance entre estas dos cascadas de señales es lo que permite la homeostasis de la división celular en una célula normal, entre otros mecanismos.

Esta cascada de señales es coordinada, entonces, por proteínas desde el espacio extracelular hasta el mismo núcleo, por lo que pueden encontrarse diferentes niveles celulares en donde se controla la división celular, que a continuación se describen brevemente.

Factores de crecimiento

Los factores de crecimiento se unen a dominios extracelulares de receptores enclavados en la membrana plasmática, donde disparan una señal de transducción. El primer oncogén descrito como factor de crecimiento fue v-sis, oncogén procedente del virus del sarcoma de los simios, similar a la cadena β del factor de crecimiento derivado de plaquetas (platelet-derived growth factor, PDGF).

Receptor con actividad de tirosina cinasa

El receptor del factor de crecimiento epidérmico (epidermal growth factor, EGF) es una proteína transmembranal con actividad de tirosina cinasa que se activa cuando se une el factor de crecimiento en el dominio extracelular; en consecuencia, la tirosina cinasa de la proteína v-erb-B (proteína codificada por el virus de la eritroblastosis aviar) se activa inespecíficamente sin necesidad de estímulo; así, pierde su función normal y conduce a la oncogénesis. En forma independiente, otros grupos de investigación identificaron genes relacionados con el gen v-erb-B que llamaron HER-2. El receptor al factor de crecimiento epidérmico se encuentra sobreexpresado o mutado en carcinoma pulmonar y, de hecho, es el blanco terapéutico de un grupo de fármacos llamados inhibidores de tirosina cinasa.

Proteínas G asociadas a membrana

Un ejemplo típico de estos protooncogenes implicados en la transducción de señales es la familia de los genes ras, que incluye tres protooncogenes estrechamente relacionados, Harvey (ha)-ras, Kirsten (Ki)-ras y N-ras. Éstos codifican para proteínas de ~21 kDa que están en la superficie interna de la membrana plasmática, y su función es unir GTP/GDP a través de su actividad de GTPasa, participando en vías de transducción de señales que regulan el crecimiento celular. Las mutaciones puntuales pueden activar el potencial oncogénico de los genes ras, alterando la secuencia aminoacídica de las proteínas p21. In vivo, estas mutaciones se encuentran casi exclusivamente en los codones 12, 13 o 61, aunque se han descrito mutaciones puntuales en otros codones (59, 63, 116 y 119), cuyo potencial transformante se ha demostrado por mutagénesis in vitro. Entre las vías que activan las proteínas ras se encuentra la vía de señalización de las cinasas MAP (mitogen-activated-protein). De manera importante, la identificación de mutaciones en ras también contribuye al pronóstico de diferentes tipos de cáncer, entre ellos en cáncer de colon y el pulmonar, ya que la presencia de mutaciones en ras puede contribuir a que los tumores metastaticen en fases más tempranas de su evolución, lo que puede servir como un factor pronóstico para los pacientes.

Cinasas citoplasmáticas

La mayoría de la actividad cinasa en mamíferos la lleva a cabo la fosforilación de residuos de serina/treonina. Estas cinasas son proteínas solubles citoplasmáticas y miembros de la cascada de señalización que fosforilan una proteína activándola; ésta, a su vez, fosforila a otra, y así sucesivamente, formando una cascada de fosforilaciones que finalmente culmina en la activación de factores transcripcionales que actúan en el núcleo; esto es, funcionan como segundos mensajeros. El oncogén viral v-raf es una versión truncada de la proteína celular. La región reguladora amino terminal tiene una deleción que da como consecuencia una cinasa constitutivamente activa.

Factores transcripcionales

Finalmente, la cascada de señales culmina en la activación de genes relacionados con la división celular, fenómeno que ocurre a través de la activación/inactivación de factores transcripcionales. El gen c-myc se ha asociado con diversos neoplasmas en un número amplio de especies, y la alteración en este gen está relacionada con diversos tipos de cáncer, lo cual sugiere que desempeña un papel clave en los procesos biológicos en la proliferación celular. En procesos neoplásicos, el gen c-myc actúa por medio de amplificación, es decir, la proteína es normal pero la expresión se encuentra aumentada; en tumores primarios se reportan entre 8 a 10 copias de c-myc por célula. Este fenómeno ocurre aun en ausencia de factores de crecimiento. La presencia de múltiples copias de protooncogenes en células tumorales se ha asociado a un mal pronóstico para los pacientes.

Genes supresores de tumores

Como describió Bert Vogelstein, investigador en el área de cáncer de la Universidad Johns-Hopkins, una analogía sencilla que permite ubicar fácilmente los dos principales tipos de genes involucrados en cáncer es que un oncogén se parece al acelerador de un automóvil, mientras que un gen supresor de tumor puede considerarse como el freno. En términos de la célula, cuando una célula se acelera, se divide, y cuando se frena, ocurre lo contrario; por ello, los genes supresores de tumor también se conocen como antioncogenes.

Una diferencia entre los oncogenes y los genes supresores de tumor es que los primeros solamente necesitan de un alelo mutado para que se active su función tumorigénica; es decir, poseen carácter dominante. Por el contrario, en los genes supresores de tumor se necesita que ambos alelos del gen estén alterados para que no sean funcionales; esto es, tienen un carácter recesivo. Los mecanismos por los cuales ambos alelos se pueden inactivar pueden ser por el mismo tipo de mutación o por una mutación diferente. Aunque normalmente se poseen dos alelos de un gen sin alteraciones, en algunas ocasiones se puede heredar un gen con uno de sus alelos mutado; sin embargo, el otro alelo tiene la capacidad de reemplazar la pérdida de función del alelo mutado. Cuando se pierde esta combinación por alguno de los mecanismos ya mencionados, que puede incluir una mutación de manera aleatoria, se da una pérdida de heterocigosidad de los alelos; esto implica cambios en dos alelos mutados, lo que favorece el desarrollo de un tumor, condición inicial para el desarrollo del cáncer. La pérdida de heterocigosidad está relacionada, por tanto, con la teoría de los dos golpes (establecida en 1971 por Alfred G. Knudson), que describe la mayor probabilidad de desarrollar un tipo específico de cáncer en individuos que heredan un alelo mutado y cuyas células son más susceptibles de presentar una mutación somática en el alelo normal. De hecho, el efecto de la teoría de los dos golpes en una célula es el inicio de una proliferación descontrolada que da origen a más células con esta característica; sin embargo, en el cáncer, las células hijas con esta mutación pueden presentar otro tipo de mutación, ya sea en el mismo gen o en otros genes, lo que origina que la proliferación sea aun más rápida o que las células no se diferencien de acuerdo con su estirpe; esto da lugar a lo que se denomina naturaleza clonal del cáncer. Lo anterior pone de manifiesto la complejidad biológica de esta enfermedad.

Entre los genes supresores de tumores mejor caracterizados en el ser humano se incluye el gen de retinoblastoma (Rb), localizado en el cromosoma 13 brazo q14.1-q14.2, y el gen p53, situado en 17p13.1. Existen otros genes supresores de tumores con una importancia similar, pero se limitan a tipos específicos de cáncer, como los genes APC y DCC, situados en 5q21-22 y 18q23.3, respectivamente, cuya significación clínica se ha limitado al cáncer de colon. Los genes NF-1 y NF-2, cuyas posiciones en el genoma son 17q11.2 y 22q12.2, se han asociado a neurofibromatosis.

Retinoblastoma

El retinoblastoma es una enfermedad que se manifiesta por una tumoración maligna en la retina desde la infancia. Al estudiar esta enfermedad se observó que el cariotipo de los pacientes con retinoblastoma mostraba una deleción del cromosoma 13, donde se localiza el gen Rb. Cabe mencionar que el fenotipo maligno sólo se desarrolla cuando ambos alelos de Rb están mutados. En la forma hereditaria de la enfermedad, uno de los alelos de origen parental porta la deleción y cuando se altera el otro alelo (no mutado) se desarrolla el tumor. Se ha reportado hasta 70% de los casos de retinoblastoma con pérdida de heterocigosidad en células somáticas de la retina. Existen también casos esporádicos en que los alelos de origen parental son totalmente normales; sin embargo, el tumor se puede presentar por mutaciones somáticas en los dos alelos. Aunque en la mayoría de los casos el defecto lo causa una deleción, en otros estudios se demuestra que el defecto puede estar en la expresión del gen. La inactivación del gen Rb se ha reportado en el retinoblastoma, el osteosarcoma y el cáncer pulmonar de células pequeñas. En el caso de las alteraciones en la expresión génica, se encuentra la metilación del promotor del gen de Rb en tumores de cerebro. El gen Rb codifica para una fosfoproteína nuclear implicada en la regulación del ciclo celular, a través de su unión cíclica a los complejos ciclina-CDK, específicamente las ciclinas D, E, y al factor transcripcional E2F. Durante el final de la fase G₁ se fosforila y libera al E2F, lo que permite la transcripción. Durante la mitosis este gen sufre una desfosforilación y esta forma hipofosforilada inhibe la proliferación celular (figura 21-4).

P53

El gen p53 codifica para un factor transcripcional que activa la transcripción de ciertos genes y, en respuesta al daño en el DNA, detiene el ciclo celular. Lo anterior se logra por la inhibición de los complejos de CDK/ciclinas, así como por la fosforilación de Rb. En caso de que el DNA no pueda repararse, las células aumentan sus niveles de p53 y se detienen en la fase G1 antes de entrar a la fase de síntesis, para activar los mecanismos de reparación. Si la lesión no es reparable, la célula es inducida a apoptosis; las células con una lesión reparable retornan a la fase S y a la división celular. El principal objetivo es evitar que la información genética alterada se transmita. Las células premalignas con una mutante de p53 pueden transmitir esta alteración.

Como sucede con Rb, si se heredan mutaciones de los alelos de origen parental existe la tendencia a desarrollar cáncer. Esta patología heredada se conoce como síndrome de Li-Fraumeni y presenta un patrón de herencia autosómico dominante.

En 1987, Donna George y colaboradores reportaron que el oncogén MDM2 suprime la capacidad de p53 para inhibir la tumorogénesis. A este respecto, se han reportado amplificaciones de MDM2 y mutaciones en p53 en osteosarcomas. Debido a que p53 está implicado en numerosos tipos de cáncer, se ha propuesto que su detección podría ser útil como un marcador en la evolución de la enfermedad.

Las mutaciones reportadas con más frecuencia en p53 son puntuales de sentido equivocado (ver el capitulo 8, Mutaciones), que se pueden producir en todo el marco de lectura, en particular de los exones 5 a 8 que constituyen la región central de la proteína. No obstante, cada tipo de cáncer tiene mutaciones particulares más frecuentes en sitios específicos. Por ejemplo, en cáncer de colon se han detectado mutaciones en el codón 165 y en carcinoma hepatocelular, en el codón 249. Las mutaciones puntuales sin sentido suelen asociarse a una prolongación en la vida media de la proteína y, por lo tanto, a un incremento en el nivel basal de la proteína.

Finalmente, la pérdida de la actividad de algún gen supresor de tumor siempre se compensa por la actividad de otro gen que surge como mecanismo de seguridad ante situaciones emergentes de las células. No obstante, estos mecanismos se pierden en la tumorigénesis.

El cáncer cervicouterino (CaCu) es un tipo de cáncer que tiene como factor de riesgo la infección con el virus del papiloma humano (VPH). Algunos estudios reportan la infección positiva a VPH en pacientes con CaCu en más de 90% de los casos. Cabe mencionar que existen tipos virales de alto riesgo (VPH 16 y 18, entre otros) y de bajo riesgo (VPH 6 y 11, entre otros) al desarrollo de CaCu. Debido a que la infección con VPH se produce en las células epiteliales basales, ésta se mantiene durante el proceso de diferenciación epitelial, para asegurar la síntesis de proteínas virales que darán origen a nuevos virus. En respuesta a la infección, las células activan mecanismos de defensa celular que implican a p53 y Rb y dirigen a la célula infectada a apoptosis. Los tipos virales de VPH de alto riesgo sobreexpresan las oncoproteínas virales E6 y E7, que inactivan los genes supresores de tumor mencionados. E6 inactiva la función de p53, mientras que E7 inactiva a Rb. En ambos casos se produce una pérdida de su actividad, lo que contribuye a la tumorogénesis del CaCu, ya que se producen cambios en el crecimiento normal y diferenciación del epitelio cervical, y se acumulan alteraciones genéticas en estas células. No obstante, además de la infección viral con algún genotipo de alto riesgo de VPH, es importante considerar la competencia del sistema inmunológico del huésped en la eliminación de la infección viral, ya que no todas las infecciones con VPH de alto riesgo progresan a CaCu; esto pone de manifiesto la importancia de la respuesta inmune humoral y celular, así como otros factores, entre los que se incluyen infecciones recurrentes, coinfecciones con otros tipos virales y la integración en el DNA celular.

Los cánceres de tipo familiar implican un riesgo elevado de heredar la enfermedad. El retinoblastoma infantil, en que se hereda un alelo mutado del gen supresor de tumores Rb, es quizá uno de los ejemplos más ilustrativos. En esta afección, más de 80% de los casos desarrollan retinoblastoma entre los 3 y los 4 años de edad. Sin embargo, un pequeño porcentaje de las personas que heredan un alelo Rb mutado no desarrollan un tumor. Esto indica que existe una predisposición al cáncer en determinadas etapas del desarrollo, ya que dichos pacientes pierden la susceptibilidad a la enfermedad si no la desarrollan en los primeros años de la infancia. En los pacientes portadores de una mutación en Rb que no presentaron retinoblastoma en la niñez, desarrollan tumores no oculares en etapas posteriores de la vida. De igual manera, los pacientes afectados con el síndrome de Li-Fraumeni presentan un alto riesgo de desarrollar tumores cerebrales y mamarios, entre otros.

Otro síndrome neoplásico de carácter hereditario relacionado con defectos en genes supresores de tumor es la poliposis adenomatosa familiar (PAF), cuyo patrón de herencia es autosómico dominante. Esta enfermedad representa un modelo de estudio por la correlación que existe entre la evolución de las lesiones histopatológicas en el epitelio colónico y las alteraciones genéticas en genes supresores de tumor (APC, MCC, DCC, p53) y oncogenes (ras). Los pacientes con PAF heredan mutaciones en el gen APC, que estimula la formación de pólipos que tienden a malignizarse a medida que participan otras alteraciones genéticas en genes supresores de tumores durante la transformación maligna, presentándose lo que se conoce como pérdida de heterocigosidad y expansión clonal. La expansión clonal es la capacidad de las células de iniciar, promover y convertirse a un fenotipo maligno por expansión de la clona mutada.

Los diferentes tipos de cáncer son enfermedades complejas, que presentan un carácter multigénico y, en algunos casos, una fuerte influencia del medio ambiente.

Como se ha mencionado en el desarrollo de este capítulo, la tumorogénesis implica varios eventos en el que obviamente están involucrados tanto oncogenes como genes supresores de tumores, y en la actualidad también se han asociado numerosos genes relacionados con el control del ciclo y la diferenciación celular. Dichos genes participan en diferentes vías de señalización, procesos de evasión de la respuesta inmunológica, apoptosis y angiogénesis, de manera tal que las alteraciones genéticas involucradas en el proceso de malignización de las células se van acumulando para finalmente transformar una célula y dar origen a un tumor. Estas mutaciones múltiples, de naturaleza clonal, tienen lugar en diferentes estadios histológicos y se han correlacionado con la evolución, como es el caso del cáncer de colon, uno de los modelos más representativos de esta teoría.