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¿Podrían las células tumorales tener perfiles genómicos normales?

¿Podrían las células tumorales tener perfiles genómicos normales?


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He descongelado células tumorales primarias y he realizado FACS. Eran células positivas para EpCAM. Luego, los expandí como organoides en 3D e hice otro análisis FACS. Una vez más, fueron positivos para EpCAM. También envié organoides a patología para IHC. Los resultados mostraron que expresaban EpCAM, EGFR y panCK. Pero para mi sorpresa, los resultados de la secuenciación de Ampli LowPass mostraron que tenían un perfil equilibrado como las células normales. ¿Cómo podría explicarse eso? Se agradece cualquier ayuda (comentarios, ponencias,…). Gracias.


Creo que este es el artículo sobre la técnica de secuenciación Ampli LowPass. Aunque no lo leí a fondo, pero a partir de los títulos de las secciones de resumen y resultados, parece que esta técnica está diseñada para detectar NVC. Dado que es de paso bajo (es decir, cobertura baja), es posible que no detecte sustituciones y pequeños indeles con precisión.

Sus células pueden tener mutaciones pero no grandes reordenamientos cromosómicos. No es necesario que las células tumorales tengan tales aberraciones cromosómicas. De hecho, una simple sobreexpresión de un oncogén o una mutación puntual que provoque una reducción / pérdida de la actividad de un supresor de tumores (por ejemplo, p53) es suficiente para la tumorigénesis.


La secuenciación unicelular de ADN genómico resuelve la heterogeneidad subclonal en una línea celular de melanoma

Realizamos una secuenciación unicelular superficial de ADN genómico en 1475 células de una línea celular, COLO829, para resolver la complejidad general y la clonalidad. Esta línea tumoral de melanoma se ha caracterizado previamente por múltiples tecnologías y es un punto de referencia para evaluar las alteraciones somáticas. En algunos de estos estudios, COLO829 ha mostrado un número de copias conflictivo y / o indeterminado y, por lo tanto, la secuenciación unicelular proporciona una herramienta para obtener información. Después de la secuenciación superficial de una sola célula, primero identificamos al menos cuatro subclones principales mediante el análisis discriminante de los componentes principales de los datos del número de copias de una sola célula. Con base en el análisis de agrupamiento, punto de ruptura y pérdida de heterocigosidad de los datos agregados de los subclones, identificamos distintos eventos distintivos que se validaron dentro de la secuenciación masiva y el cariotipo espectral. En resumen, COLO829 exhibe un patrón monosómico / trisómico clásico de Dutrillaux de evolución del cariotipo con endorreduplicación, donde los subclones consistentes emergen de la pérdida / ganancia de cromosomas anormales. En general, nuestros resultados demuestran cómo la elaboración de perfiles de números de copias superficiales puede descubrir conocimientos biológicos ocultos.


Evaluación de líneas celulares como modelos tumorales mediante comparación de perfiles genómicos

Las líneas de células cancerosas se utilizan con frecuencia como modelos de tumores in vitro. Los perfiles moleculares recientes de cientos de líneas celulares de The Cancer Cell Line Encyclopedia y miles de muestras de tumores del Cancer Genome Atlas permiten ahora una comparación genómica sistemática de líneas celulares y tumores. Aquí analizamos un panel de 47 líneas celulares de cáncer de ovario e identificamos aquellas que tienen la mayor similitud genética con los tumores de ovario. Nuestra comparación de cambios en el número de copias, mutaciones y perfiles de expresión de ARNm revela diferencias pronunciadas en los perfiles moleculares entre las líneas celulares de cáncer de ovario de uso común y las muestras de tumores de cáncer de ovario seroso de alto grado. Identificamos varias líneas celulares de uso poco frecuente que se asemejan más a perfiles de tumores afines que las líneas celulares de uso común, y proponemos estas líneas como los modelos más adecuados de cáncer de ovario. Nuestros resultados indican que la brecha entre las líneas celulares y los tumores se puede salvar mediante elecciones informadas genómicamente de modelos de líneas celulares para todos los tipos de tumores.

Cifras

Figura 1. Comparación genómica de TCGA HGSOC…

Figura 1. La comparación genómica de muestras TCGA HGSOC con líneas celulares de cáncer de ovario CCLE sugiere ...

Figura 2. Las líneas celulares hipermutadas son valores atípicos.

Figura 2. Las líneas celulares hipermutadas son valores atípicos.

La comparación de la frecuencia de mutación (horizontal) y el grado ...

Figura 3. Clasificación de las líneas celulares de cáncer de ovario ...

Figura 3. Clasificación de las líneas celulares de cáncer de ovario según su idoneidad como modelos HGSOC.

Figura 4. Agrupación basada en expresiones de todos los 963…

Figura 4. Agrupación basada en la expresión de todas las 963 líneas celulares CCLE de diversos tipos de tumores.


Perfil molecular de tumores

Para evaluar la diversidad tumoral y comprender mejor la evolución del cáncer, los experimentos de secuenciación de extremos emparejados pueden dilucidar la composición genética de los tumores. Una sola muestra proporcionará una instantánea del resultado final de estos procesos evolutivos en las células que se secuencian en ese momento. Nos gustaría utilizar esta información para inferir la historia evolutiva del tumor, evaluar las tasas de mutación y selección y predecir las respuestas futuras del tumor a entornos potencialmente controlados por varios protocolos de fármacos.

Las mutaciones detectadas pueden tomar la forma de variantes de un solo nucleótido (SNV), en las que se produce una sustitución de un solo nucleótido (o, ocasionalmente, algunos cambios consecutivos de bases), o variantes estructurales (SV), en las que se copian por error fragmentos de ADN. , eliminado o extraviado, lo que a su vez puede dar lugar a variaciones en el número de copias (CNV). También pueden surgir cambios epigenéticos que afectan la conformación de la cromatina, como la metilación del ADN o las modificaciones de histonas. La secuenciación de pares de extremos ofrece un medio para obtener descripciones relativamente completas de toda esta variación somática [20].

Aun así, una sola instantánea de un genoma solo puede proporcionar cierta información. Las técnicas modernas de secuenciación permiten ahora el análisis de efectos espaciales y temporales. Por ejemplo, se pueden tomar muestras de diferentes lugares en un paciente, ya sea dentro de un tejido o incluyendo un tumor primario y metástasis a distancia [18,19]. Este muestreo también puede incluir una serie de tiempo, en la que, por ejemplo, las muestras antes y después del tratamiento o durante la presentación inicial y la recaída se pueden utilizar para investigar cómo la genética se correlaciona con los protocolos clínicos o el resultado [17]. Aunque la secuenciación directa de muestras ahora se lleva a cabo de forma rutinaria, las señales de mutación de pequeños subconjuntos de células son difíciles de detectar. La secuenciación profunda puede mitigar un poco estas dificultades [21-23], pero también están disponibles técnicas alternativas. Por ejemplo, la secuenciación unicelular ahora es posible [24, 25], aunque la señal obtenida es relativamente ruidosa y estos experimentos se combinan mejor actualmente con la información obtenida de los protocolos de secuenciación multicelular estándar. Alternativamente, también son posibles métodos ultrasensibles que pueden detectar ADN tumoral circulante a partir de muestras de plasma [26]. Por último, también se han aplicado técnicas experimentales distintas de la secuenciación, que normalmente no abarcan todo el genoma, sino algunas células individuales (por ejemplo, técnicas de fluorescencia [26-28]).

Se han realizado esfuerzos internacionales concertados en los últimos años para producir bibliotecas completas de datos del genoma del cáncer en una variedad de tejidos, incluido el Atlas del genoma del cáncer (TCGA) (http://cancergenome.nih.gov/) y el Genoma internacional del cáncer. Consorcio (ICGC) (https://icgc.org/). Ambos han recopilado datos de acceso abierto para cientos o miles de muestras disponibles para la comunidad de investigación del cáncer para su estudio adicional. La generación de estos grandes volúmenes de datos de diferentes tipos conduce inevitablemente a una serie de desafíos computacionales y estadísticos.


Si se realiza un análisis genómico, es necesario analizar los genes tanto del tumor canceroso como del tejido normal

Un genoma es un conjunto completo de ADN (ácido desoxirribonucleico) de un ser vivo, incluidos todos sus genes. Los genes son partículas en las células, contenidas en cromosomas y hechas de ADN. El ADN contiene las instrucciones para construir proteínas. Y las proteínas controlan la estructura y función de todas las células que componen su cuerpo.

El ADN puede cambiar o dañarse con el tiempo. Estos cambios anormales en el ADN se denominan mutaciones genéticas. Algunos cambios en el ADN son inofensivos, pero otros pueden causar enfermedades. Las células cancerosas son & # x201Cborn & # x201D cuando los cambios anormales en el ADN les dicen a las células que crezcan más rápido y se comporten de manera diferente de lo que deberían. A medida que estas células cancerosas se multiplican para formar un tumor, continúan cambiando & # x2013 volviéndose cada vez más diferentes entre sí. A medida que crece un cáncer, se crean nuevos y diferentes tipos de células de cáncer de mama dentro de ese mismo cáncer. La mezcla de células que se acumula con el tiempo se vuelve cada vez más compleja. Entonces, aunque cada célula de un cáncer está relacionada con la misma célula "madre" original, todas las células que componen un cáncer no son iguales. La idea de que diferentes tipos de células forman un cáncer se denomina "heterogeneidad tumoral".

Cuando un tumor de cáncer de mama tiene un centímetro (menos de media pulgada) de tamaño, los millones de células que forman el bulto son muy diferentes entre sí. Y cada cáncer tiene su propia identidad genética, o huella digital, creada por el ADN de sus células. Entonces, dos personas con cáncer de mama que tienen la misma edad, altura, peso y origen étnico, y que tienen antecedentes médicos similares, casi seguramente tienen dos cánceres muy diferentes. Lo único que tienen en común los cánceres es que se originaron a partir de una célula del tejido mamario.

El análisis genómico es una forma relativamente nueva de buscar mutaciones genéticas únicas en tumores cancerosos. El análisis genómico significa que los investigadores mapean (llamado secuenciación) el genoma de un tumor canceroso para buscar mutaciones que puedan permitir que un cáncer sea tratado con un medicamento que se dirija específicamente a esa mutación y un medicamento de terapia dirigida.

Por ejemplo, algunos cánceres de mama son positivos para HER2. Esto se debe a una mutación que hace demasiadas copias del HER2 gene. La terapia dirigida Herceptin (nombre químico: trastuzumab) actúa uniéndose a los receptores HER2 y bloqueándolos para que no reciban señales de crecimiento. Herceptin no es eficaz en cánceres negativos para HER2 y cánceres # x2013 que no tienen esa mutación en particular.

Un estudio sugiere firmemente que los genomas de los tumores cancerosos deben compararse con los genomas de tejido no canceroso del paciente para que los médicos puedan estar seguros de que las mutaciones encontradas son exclusivas del cáncer.

El estudio fue publicado en la edición del 15 de abril de 2015 de Medicina traslacional de la ciencia. Lea el resumen de & # x201C análisis genómicos personalizados para el descubrimiento e interpretación de mutaciones del cáncer. & # X201D

"Cada vez más, los hospitales y las empresas están comenzando a secuenciar los tumores de los pacientes en un intento de personalizar la terapia", dijo Victor Velculescu, MD, Ph.D., profesor de oncología y patología y codirector del Programa de Biología del Cáncer en Johns Hopkins. Facultad de Medicina de la Universidad, quien fue el autor principal del estudio. & # x201CH Sin embargo, muchos no están secuenciando el tejido normal de cada persona para filtrar los cambios no relacionados con el cáncer y para comprender realmente qué está ocurriendo en el tumor. & # x201D

En el estudio, los investigadores analizaron los genomas tanto del tumor canceroso como del tejido normal de 815 personas con 15 tipos diferentes de cáncer. Cuando observaron solo los resultados genómicos de los tumores cancerosos, encontraron una serie de mutaciones. Pero cuando compararon los resultados genómicos de los tumores cancerosos con los resultados genómicos del tejido normal, encontraron que muchas de las mutaciones también estaban en el tejido normal. Esto significa que estas mutaciones no son adecuadas para el tratamiento de terapia dirigida.

No todas las mutaciones genéticas en un tumor canceroso están directamente relacionadas con el cáncer. Algunas mutaciones son lo que los investigadores llaman cambios en la línea germinal. Las mutaciones de la línea germinal son cambios en los genes heredados de sus padres y se encuentran en todo su ADN (todo su genoma). Estos cambios en la línea germinal difieren de una persona a otra y son parte de lo que hace que cada persona sea única. Otras mutaciones genéticas no se heredan y pueden ocurrir durante su vida. Algunas mutaciones ocurren durante la división celular, cuando el ADN se duplica. Otras mutaciones se producen cuando el ADN se daña por factores ambientales, como la radiación ultravioleta y los productos químicos.

La mayoría de las mutaciones genéticas no son dañinas, pero algunas pueden causar enfermedades, como el cáncer.

Los investigadores dijeron que solo comparando el genoma del tumor canceroso de una persona con el tejido normal de la persona pueden los médicos saber qué cambios genéticos tienen más probabilidades de estar relacionados con el cáncer, así como qué terapias dirigidas probablemente funcionen.


Descomposición de la estructura tumoral clonal y subclonal

El éxito inicial de las aplicaciones de secuenciación unicelular en la investigación del cáncer provino de los estudios de la estructura clonal y subclonal de los tumores primarios. La secuenciación unicelular basada en ADN se ha aplicado a tumores de mama [7, 20, 21, 26, 156, 157], de riñón [158], de vejiga [159] y de colon [39, 160, 161], glioblastoma [162 ], y neoplasias hematológicas como la leucemia mieloide aguda y la leucemia linfoblástica aguda [11, 33, 163,164,165]. Estos estudios demostraron la existencia de mutaciones comunes entre diferentes clones de células cancerosas en pacientes con cáncer individuales, lo que proporcionó evidencia del origen de las células cancerosas comunes y la posterior evolución clonal. Mientras tanto, la aplicación de scRNA-seq en glioma [22, 51, 166] demostró que la diferenciación celular de las células madre neurales también contribuye a la heterogeneidad tumoral, apoyando así un modelo de células madre cancerosas. En particular, un estudio reciente de la diversificación intratumoral de los cánceres colorrectales [42] integró tecnologías unicelulares y cultivo de organoides tumorales para mostrar que las células cancerosas tenían varias veces más mutaciones somáticas que las células normales. Los autores de este estudio también observaron que la mayoría de las mutaciones ocurrieron durante la expansión clonal dominante final, contribuida por procesos mutacionales ausentes de los controles normales. Además de las mutaciones canónicas, las alteraciones transcriptómicas y la metilación del ADN eran autónomas, estables y seguían el árbol filogenético de cada cáncer. El estudio de Roerink et al. [42] proporcionó un paradigma de la evolución del cáncer al caracterizar las estructuras tumorales clonales y subclonales, e indicó la dinámica potencial de la progresión del cáncer. Estos hallazgos ejemplifican el poder único de la secuenciación unicelular para caracterizar la diversidad de células cancerosas, lo que da como resultado diferentes modelos evolutivos entre cánceres. En particular, los datos de una sola célula desafiaron el modelo de células madre cancerosas al mostrar que la proliferación continua y la expansión clonal formaban la mayoría de las células tumorales. Además, los datos de scRNA-seq respaldaron el modelo de células madre cancerosas al demostrar la contribución de la diferenciación celular a la heterogeneidad tumoral. Las alteraciones de número de copias (CNA) y las mutaciones puntuales de las células cancerosas estaban sujetas a diferentes modos evolutivos, prefiriendo las primeras la evolución puntuada y las segundas la acumulación gradual. Las disparidades sobresalientes deben resolverse antes de que se puedan aplicar modelos consistentes de génesis y evolución del cáncer a una amplia gama de cánceres. Se necesitan estudios con un tamaño de muestra más grande y una resolución molecular y celular más alta para reconciliar varios modelos de evolución del cáncer. El análisis de secuenciación de organoides derivados de células individuales podría proporcionar una plantilla para investigar la evolución del cáncer, pero esto debería extenderse a muestras más grandes y otros tipos de cáncer.


Meduloblastoma

MB es el tumor cerebral maligno más común en los niños y es un tumor neuroepitelial embrionario del cerebelo [26]. Aproximadamente un tercio de los pacientes con tumores MB siguen siendo incurables y los tratamientos actuales tienen toxicidades asociadas que pueden causar discapacidades significativas en los sobrevivientes a largo plazo. Si bien los tumores forman masas relativamente bien circunscritas que pueden extirparse quirúrgicamente, la morbilidad se debe a su diseminación metastásica a través del líquido cefalorraquídeo a los espacios leptomeníngeos. Los tumores MB se caracterizan por atributos morfológicos y genéticos particulares [26]. La diferenciación morfológica de los tumores MB ocurre principalmente a lo largo de las líneas neuroepiteliales, mientras que la diferenciación glial es poco común. Al igual que los tumores embrionarios del SNC, los MB pueden expresar marcadores de linaje de células neuronales y gliales como la sinaptofisina y GFAP.

Descubrimiento y caracterización de células propagadoras de cáncer MB

Las CPC de MB se aislaron por su expresión de CD133 y se encontraron en el 1 & # x0201321% de los tumores resecados quirúrgicamente de las variantes clásicas y desmoplásicas de MB [5]. Tan solo 1,000 & # x020135,000 células CD133 + podrían formar tumores MB en nu/nu ratones, mientras que 10 veces más células CD133 & # x02212 no pudieron [5,36].

Vías de señalización que conducen a la génesis del meduloblastoma

La celda de origen de los MB sigue siendo no definitiva [26]. La morfología de las células tumorales y su ubicación en el cerebelo ha llevado a pensar que los tumores podrían surgir de los GNP presentes en la capa germinal externa (EGL) del cerebelo. Se trata de PGC restringidas que dan lugar únicamente a neuronas granulares. La zona ventricular cerebelosa, que consiste en una banda de células madre y progenitoras que recubren el cuarto ventrículo, da lugar a los PNB [14]. Los GNP proliferan en el EGL y luego migran para formar la capa de gránulos internos después de la diferenciación en neuronas. Se ha demostrado que las células MB expresan marcadores que comúnmente están asociados con los GNP, como p75NTR, TrkC, Zic1 y Math1 [67,68]. También se ha demostrado que las MB expresan marcadores de células madre y poseen la capacidad de diferenciarse en neuronas y glía, lo que sugiere que su origen podría ser de las NSC [6,55]. Recientemente, se ha sugerido que los subtipos de MB (MB desmoplásicos, anaplásicos y de células grandes y MB con nodularidad extensa) surgen de GNP y otros de NSC [26 & # x0201328].

La activación de la vía SHH juega un papel crítico en la formación de MB (Tabla 1). La vía SHH regula el desarrollo de NSC y puede inducir la proliferación de GNP [69]. El parcheado (Ptc) receptor es un antagonista de la vía de señalización SHH, y mutaciones de Ptc activará la vía [70]. Ptc Se han observado mutaciones en muchos MB humanos, incluidos tumores esporádicos y en tumores que surgen en pacientes con síndrome de Gorlin (un trastorno autosómico dominante en el que los pacientes presentan diversas neoplasias, incluido el carcinoma de células basales y MB) [71,72]. Uso del ptc El ratón mutante se ha convertido en un modelo de MB ampliamente estudiado [73]. El bloqueo de la vía SHH utilizando un inhibidor de molécula pequeña puede eliminar los tumores MB en ratones que albergan un ptc1 mutación [74].

Recientemente, se ha abordado la cuestión de qué células del SNC pueden transformarse en tumores MB mediante la activación de SHH demostrando que los tumores MB pueden iniciarse mediante la eliminación de ptc en progenitores de linaje restringido (GNP) o en células madre neurales [27]. Estos estudios confirman que tanto los GNP como los NSC pueden responder a la vía de señalización SHH y servir como células de origen para MB. Además, los cambios genéticos inducidos en las células madre de la zona ventricular multipotente o en las células comprometidas con el linaje dan como resultado tumores MB en el EGL, adquiriendo así una identidad de GNP con la activación de SHH [28].

Una segunda vía de señalización implicada en MB es la vía Wnt, que se asocia con MB del subtipo clásico [73]. Se han identificado mutaciones de la vía Wnt en MB asociadas con el síndrome de Turcot tipo 2 (causado por la pérdida del Poliposis coli adenomatosa función genética). La vía de señalización Wnt no parece regular los precursores de EGL, lo que proporciona más pruebas de que los tumores MB surgen de NSC / PGC fuera del EGL [75].


¿Podemos normalizar de nuevo las células cancerosas?

La capacidad de una célula cancerosa para "escapar de la malignidad" y volver a un estado normal suena como el trabajo de Houdini: aparentemente imposible. Pero al igual que las hazañas atrevidas de Houdini, la reversión del tumor, cuando las células malignas recuperan el control de su crecimiento y simplemente dejan de comportarse como células cancerosas, es algo muy real. Ahora, investigadores del NewYork-Presbyterian / Columbia University Medical Center han lanzado el primer ensayo clínico multicéntrico de un compuesto que ha demostrado inducir la reversión del tumor en el laboratorio.

Los científicos observaron el fenómeno por primera vez a principios del siglo XX, pero es muy raro, ya que ocurre a una tasa estimada de uno en 100.000. En el cáncer, las células normales se vuelven malignas cuando las mutaciones genéticas inhabilitan el crecimiento normal y los mecanismos de control de la supervivencia, lo que hace que las células se multipliquen a un ritmo irrazonable. En la reversión del tumor, pueden ocurrir mutaciones adicionales u otros cambios genéticos que hacen que las células recuperen el control de su crecimiento.

En las décadas de 1960 y 1970, el científico de la Universidad de Columbia Robert Pollack y su estudiante graduado Scott Powers, y otros, trabajaron para aislar y caracterizar estas células revertientes de cáncer con la esperanza de aprender cómo recuperan el control de la infraestructura de crecimiento de la célula y obtener más información sobre la mecanismos del cáncer.

Las herramientas experimentales que estaban disponibles en ese momento dificultaron la búsqueda y los investigadores del cáncer se alejaron en gran medida del estudio de los revertientes tumorales. Pero en los años intermedios, un pequeño grupo de investigadores, incluidos Adam Telerman y Robert Amson de Ecole Normal Superiéure, París, Francia, continuaron explorando la mecánica de este misterioso proceso centrándose en los mecanismos moleculares que controlan la reversión del tumor.

Y en un artículo publicado el año pasado en La naturaleza revisa el cáncer, El Dr. Pollack, profesor de biología en la Universidad de Columbia, y el Dr. Powers, ahora biólogo del cáncer en el Laboratorio Cold Spring Harbor y la Universidad Stony Brook, argumentaron que la terapia de reversión de tumores puede ayudarnos a evadir uno de los problemas más espinosos del tratamiento del cáncer: la resistencia.

Ser más astuto que el cáncer siguiendo el ejemplo de la naturaleza

Los pacientes con cáncer actuales pueden beneficiarse de tratamientos como la quimioterapia, la radioterapia y la terapia dirigida, que ataca los mecanismos celulares pro-cancerígenos específicos. Aunque funcionan de manera diferente, cada uno de estos tratamientos está diseñado para matar tantas células cancerosas como sea posible. Incluso la inmunoterapia, que libera temporalmente el sistema de frenos incorporado al sistema inmunológico, coloca a las células cancerosas directamente en el centro de la diana. La teoría es que lanzar un ataque total contra las células cancerosas, como lo exhortó la Guerra contra el cáncer del Instituto Nacional del Cáncer en 1971, puede evitar que el cáncer progrese y metastatice, o se propague, por todo el cuerpo.

Pero según Pollack, esta línea de ataque es defectuosa. “Este enfoque no solo supone que cada fármaco ofrece la solución para el cáncer, sino que también descuida algunos aspectos bastante fundamentales de la evolución que a menudo nos negamos a reconocer”, dice Pollack, quien dejó su laboratorio en 1994 para centrarse en la enseñanza y la escritura. “Se supone que los desarrolladores de nuevos tratamientos contra el cáncer tienen la respuesta, cuando su objetivo debería ser sentarse un poco y escuchar lo que nos dicen las células”.

Lo que Pollack quiere decir es que no importa cuántas células cancerosas se eliminen, la evolución suele estar un paso por delante. (Pollack, que actualmente es director del programa de seminarios universitarios y del grupo de investigación sobre ciencia y subjetividad de Columbia, tiene una habilidad especial para poner la ciencia en una perspectiva macro). Varios experimentos bien conocidos, y experiencias de pacientes de la vida real, han demostrado que incluso si muchas células cancerosas sucumben al tratamiento, otras pueden portar una mutación preexistente que les permite evadir el tratamiento por completo. En la década de 1940, los científicos Max Delbrück y Salvador Luria demostraron que estas mutaciones ocurren de manera impredecible e involuntaria. Más tarde, en la década de 1950, el equipo científico de Joshua y Esther Lederberg también demostró que tales mutaciones de "resistencia" ocurren en ausencia de exposición a un medicamento contra el cáncer, antes de que comience el tratamiento.

“En el tratamiento del cáncer, existe una buena posibilidad de que algunas de las células cancerosas ya contengan genes que las hacen resistentes a la terapia. Si sobreviven suficientes de estas células resistentes, el cáncer regresa ”, dice Powers. Luego vuelve a la mesa de dibujo.

Pero aunque fue posible seleccionar revertientes tumorales en las décadas de 1960 y 1970, dice Powers, fue muy difícil estudiar los fundamentos genéticos de este fenómeno. Eso se debe a que las mutaciones que hacen que una célula tumoral escape a la malignidad son raras. Antes del advenimiento de la secuenciación completa del exoma (que secuencia todos los genes expresados ​​por el genoma en las células), los investigadores carecían de las herramientas para identificar las elusivas mutaciones que provocaban que las células tumorales volvieran a la normalidad.

Sin las herramientas adecuadas, en la década de 1990, muchos investigadores del cáncer centraron su atención en el descubrimiento de oncogenes, genes que, cuando mutan, interfieren con los procesos celulares normales y desencadenan un comportamiento maligno. Estos descubrimientos llevaron al desarrollo de terapias dirigidas, que detienen la progresión del cáncer al interrumpir la cascada de eventos iniciados por estos oncogenes. Este enfoque dirigido prometía producir una solución más eficaz con menos efectos secundarios que los tratamientos citotóxicos convencionales, que matan el tumor y las células sanas. Pero poco después de su adopción en la clínica, muchas de estas terapias dirigidas desataron una ola de resistencia inesperadamente poderosa y rápida.

"El problema es que el cáncer es más inteligente que los medicamentos que se dirigen a vías específicas", dice Mark Frattini, MD, PhD, profesor asociado de medicina y terapéutica experimental en el Centro Médico de la Universidad de Columbia y director de investigación de la Sección de Neoplasias Hematológicas, un oncólogo de Nueva York. -Presbiteriano / Columbia y experto en cánceres de sangre. "A menudo encontrarán otro camino para superar ese punto, y es entonces cuando ocurre la recaída".

En los últimos años, el problema que una vez persiguió a la investigación de reversión de tumores —la falta de herramientas para identificar las mutaciones raras— se ha resuelto, en gran parte gracias a los esfuerzos de Telerman y Amson. Con esto en mente, Pollack y Powers sugieren que la resistencia podría evitarse, o al menos quitarse los colmillos, identificando estas raras mutaciones y aprendiendo cómo funcionan.

Trabajar en equipo para probar la terapia específica del revertante

Para probar la reversión del tumor en la clínica, era necesario resolver dos problemas principales: encontrar un fármaco que facilite la reversión y diseñar un ensayo clínico para probar la terapia en pacientes con cáncer en recaída o resistente a la quimioterapia.

Hace unos años, Telerman y Amson notaron que las personas con varios tipos de cáncer, incluido el cáncer de colon, pulmón y melanoma, tenían niveles altos de una proteína llamada TCTP. Los experimentos revelaron que TCTP inhibe la apoptosis, el suicidio celular programado que ocurre en células normales pero no en células malignas, lo que les permite sobrevivir. Más tarde, encontraron que los pacientes con un cáncer de sangre agresivo conocido como leucemia mieloide aguda (LMA) y altos niveles de TCTP tendían a tener malos resultados.

La quimioterapia es ineficaz para aproximadamente el 30 por ciento de los pacientes con leucemia mieloide aguda, y al menos el 50 por ciento de los que logran la remisión eventualmente recaen. Las mutaciones en el gen supresor de tumores, p53, que normalmente regula el ciclo celular y desencadena la apoptosis ante el daño del ADN celular, también se asociaron con malos resultados. Los investigadores teorizaron que podrían mejorar los resultados del tratamiento de la AML al encontrar una manera de modificar estos dos genes para reducir la TCTP y restaurar la función normal de p53.

Utilizando un enfoque de detección celular, Telerman y Amson buscaron un fármaco conocido que pudiera disminuir los niveles de TCTP. Su candidato más prometedor fue la sertralina (Zoloft), un antidepresivo comúnmente recetado que pertenece a una clase de medicamentos llamados inhibidores selectivos de la recaptación de serotonina (ISRS). Los estudios de laboratorio revelaron que la sertralina se une a TCTP, evitando que active otra proteína, MDM2, que, a su vez, inactiva y posteriormente destruye la proteína supresora de tumores p53. Los estudios preclínicos de sertralina en tumores sólidos, incluidos el de colon, cáncer y cáncer de mama, mostraron que la inhibición de la expresión de TCTP aumentó el número de células revertidas en un 30 por ciento. Experimentos adicionales revelaron que la sertralina era el único ISRS en el mercado con esta capacidad única. Pero sin probarlo en la clínica, no había forma de saber si este enfoque funcionaría en pacientes que habían fracasado en el tratamiento inicial.

Como sucedería, Frattini conoció a Telerman y Amson a través de una de sus mentoras de mucho tiempo, Judy Karp, MD, una experta internacional en leucemia aguda, tanto clínica como científicamente, en el Centro Médico Johns Hopkins en Baltimore. Karp había colaborado con Telerman y Amson para probar sertralina en combinación con quimioterapia estándar (citarabina) en muestras primarias de pacientes con LMA. Después de ver los resultados positivos, Karp reunió a los tres grupos. Frattini aprovechó la oportunidad de probar la terapia combinada en pacientes con AML en recaída, con Karp, Telerman y Amson como colaboradores.

Con fondos asegurados de la Sociedad de Leucemia y Linfoma, Frattini ha lanzado un pequeño ensayo de fase I de aumento de dosis de sertralina en combinación con citarabina, un agente de quimioterapia comúnmente utilizado para tratar la AML, en Columbia. El objetivo principal es probar la seguridad a diferentes niveles de dosis de sertralina, pero un objetivo secundario es determinar si la sertralina puede ayudar a restaurar la función normal de p53. “Esperamos que a dosis más altas de sertralina, administradas después de la primera administración de quimioterapia durante la fase crítica de síntesis de [ADN] del ciclo celular, permitirá que el supresor de tumores haga su trabajo, desencadenando la muerte celular entre las células malignas y resensibilizando células restantes a la quimioterapia ”, dice Frattini.

Hasta ahora, el sitio de Columbia está acumulando pacientes. Johns Hopkins inscribirá pacientes adicionales, en espera de su aprobación por el IRB. El equipo de Frattini, que dirige un depósito de tejidos para cánceres de sangre, procesará muestras de ambas instituciones. Los laboratorios de Frattini y Telerman realizarán los estudios correlativos.

Dos campus, una idea

Conocer el ensayo clínico que se está llevando a cabo en el campus de Columbia en la calle 168 ha sido muy satisfactorio para Pollack, quien recientemente conoció a Frattini por primera vez. “Imagínese cómo me siento al escuchar sobre este ensayo clínico 40 años después de mi trabajo inicial para aprender de los revertidores de tumores. Me estoy acostumbrando a la idea de que volver a la normalidad finalmente está en juego como un tratamiento potencial para el cáncer, aquí mismo, en nuestra propia universidad ".

El entusiasmo de Pollack proviene de la inevitable conexión de los puntos, comenzando con su propio trabajo en el laboratorio hasta los elegantes estudios de Telerman y Amson y finalmente avanzando hacia el ensayo clínico actual de sertralina. Es un escenario apropiado para un ex investigador que quiere que admitamos que, si bien es posible que no tengamos una solución elegante y definitiva para el cáncer, finalmente podemos ver lo que sucede cuando trabajamos con la evolución, no en su contra.


Contenido

El cáncer es una enfermedad de crecimiento y proliferación incontrolados por la cual las células han escapado de los mecanismos normales de control del crecimiento del cuerpo y han adquirido la capacidad de dividirse indefinidamente. Es un proceso de varios pasos que requiere la acumulación de muchos cambios genéticos a lo largo del tiempo (Figura 1). Estas alteraciones genéticas implican la activación de protooncogenes a oncogenes, la desregulación de genes supresores de tumores y genes de reparación del ADN y la "inmortalización", que se analizarán en este capítulo.



Figura 1: Resumen del camino hacia el cáncer. Cells may acquire mutations in genes that control proliferation, such as proto-oncogenes and/or tumour suppressor genes. Each new mutation may provide a selective advantage for this cell, leading to ‘clonal expansion’. Cellular properties changed in this process include cell cycle deregulation, apoptosis prevention and cell adhesion properties (CAMs – Cellular adhesion molecules).

Source: Alison MR. Cáncer. Encyclopedia of Life Sciences, 2001 Ώ] Reproduced with permission from John Wiley & Sons.

Cell cycle regulation and the importance of apoptosis

In normal cells, proliferation and progression through the cell cycle is strictly regulated by groups of proteins that interact with each other in a specific sequence of events (Figure 2). Checkpoints ascertain that individual stages of the cell cycle are completed correctly and ensure that incompletely replicated DNA is not passed onto daughter cells. Core to this control system are cyclin-dependent kinases (CDKs). CDKs are ‘master protein kinases’ that drive progression through the different phases of the cell cycle by phosphorylating and activating other downstream kinases. CDK activity is dependent on the presence of activating subunits called cyclins which are synthesised and degraded in a cell cycle-dependent manner. Cyclin-CDK complexes are further tightly regulated by CDK inhibitors.



Figure 2: Cyclins and cyclin-dependent kinases (CDKs) regulate the cell cycle. CDK’s and their regulatory subunits, cyclins (A, B, D & E) tightly control transition through the cell cycle. The brackets indicate the periods in which the cyclin-CDK complexes are active and orchestrate all events necessary in this period. los restriction point (R point) is a point in G1 at which the cell becomes ‘committed’ to the cell cycle and after which extracellular proliferation signals are no longer required.

Source: Weinberg RA. The biology of cancer 1st ed. Garland Science, 2007 ΐ] Reproduced with permission of Garland Science/Taylor & Francis LLC.


The re-entry of cells into the cell cycle is decided at the restriction point (R point). This decision is influenced by extracellular mitogenic signals which are transmitted via signalling pathways to key regulatory proteins, such as transcription factors (e.g. E2F) in the nucleus (refer to Figure 3, Section 2). These regulatory proteins ultimately activate the S-phase CDKs, which trigger the start of DNA synthesis.

In normal cells, activation of another transcription factor, p53, often referred to as the ‘guardian of the genome’, can impose cell cycle arrest and induce apoptosis (programmed cell death) through its ability to:

  • induce the expression of cell cycle inhibitors to prevent proliferation of a cell until any damage has been repaired or
  • initiate apoptosis, if the genomic damage is too great and cannot be repaired.

In >50% of all human tumours the p53 pathway is aberrant. Inactivation of the p53 protein renders it unable to signal and activate the cell’s apoptotic machinery resulting in increased survival of cancer cells.

Cell immortalisation and tumourigenesis

Immortalisation is defined as the acquisition of an infinite lifespan. Normal mammalian somático cells proliferate a limited number of times before undergoing senescence. Senescent cells may remain metabolically active even though they have permanently ceased proliferation. Immortalisation is an essential step in the malignant transformation of normal cells and can be attributed, in part, to the presence of telomerasa, the enzyme responsible for maintaining telomeres at the ends of chromosomes. By extending telomeric DNA, telomerase is able to counter the progressive telomere shortening that would otherwise lead to cell death. Unlike normal cells that lack detectable levels of telomerase activity, approximately 90% of human tumours consist of cells that contain an active telomerase enzyme.


By David Slipher
For many, breast cancer is more than just a disease – it’s personal. One in eight women will be diagnosed with breast cancer at some point in their lives. But through new discoveries at the genetic level, the personal nature of cancer will eventually be what helps to beat it.

DNA Repair – Key Defense Against Mutations

“One key to understanding cancer lies in the stability of the genome,” says Wolf-Dietrich Heyer, Department of Microbiology and Molecular Genetics chair and co-leader of the Molecular Oncology Program at the UC Davis Comprehensive Cancer Center.

A healthy individual has a system of checks and balances that curtail cells’ irregular growth. But changes occurring during a person’s lifetime, including inherited changes and those induced by environmental exposure, alter the body’s normal blueprint and cause cancer.

Many genes, as part of regular maintenance within the body, are responsible for repairing damaged DNA. Through a process called homologous recombination, information from healthy DNA molecules is used as a template to heal broken DNA strands.

College of Biological Sciences Professors Stephen Kowalczykowski and Wolf-Dietrich Heyer have dedicated their research careers to understanding the genomics of cancer. UC Davis

“Recombination works like accessing a backup version when a file on your computer is compromised,” Heyer says. “Referencing this genetic backup copy enables high-fidelity DNA repair.”

Proteins involved in recombination are constantly directing repair of cells’ genetic material, which becomes damaged over time. They serve as genetic guardians, reinforcing a healthy blueprint for the body. It is estimated that each day, every cell experiences tens of thousands of damaging events that require DNA repair. These guardians stay busy and are constantly on the alert.

While the guardians are tasked with repairing DNA damage, they can also become damaged themselves. When they become altered or damaged, genetic changes, called mutations, accumulate at an alarming pace. Mutations in two very different guardian genes, BRCA1 and BRCA2, lead to a significantly elevated cancer risk.

According to the National Cancer Institute, 55 to 65 percent of women who inherit the BRCA1 mutation will develop breast cancer by age 70, while 39 percent will develop ovarian cancer. Together, deficiency mutations in these two genes constitute the highest risk factor for familial breast and ovarian cancer.

There are many types of risks that can increase the likelihood of these cancers in women. Fortunately, the consistency of BRCA1 and BRCA2 deficiency mutations in cancer patients creates an opening that UC Davis researchers have seized to gain understanding about their roles in preventing and treating cancer.

Homologous Recombination Diagram - College of Biological Sciences/UC Davis

Understanding Cancer, One Building Block at a Time

Due to the complexity of the proteins produced by the genes, uncovering the characteristics of BRCA1 and BRCA2 has been a decades-long process. BRCA2 contains 3,418 amino acids, making it roughly 10 times larger than an average protein, Heyer says. The larger the protein, the more challenging it is to understand. And because genes mutate in unpredictable ways, they also end up producing many different variations of proteins.

“There may be only a single person on the planet who has a particular variant,” says Heyer, “and with a protein of this size, it is very difficult to predict what impact that change has, leaving patients and doctors in the dark.”

Insights into the nature of BRCA1 and BRCA2 began with identifying similar protein activities in bacteria and yeast, simpler organisms which share a common ancestor with humans. Professor Stephen Kowalczykowski, Department of Microbiology and Molecular Genetics, has devoted his research career to understanding the mechanisms of the proteins responsible for recombination.

“Without the knowledge derived from bacteria, we would know that BRCA1 and BRCA2 mutations exist, but wouldn’t know what they do nor how to treat them,” Kowalczykowski says. “What’s been interesting and exciting about this is the ability to take what has been a very abstract system study in bacteria and apply what we learned there. It educates us about the processes in humans.”

Through long-term and painstakingly detailed research, Kowalczykowski has sought to replicate the cellular processes of DNA repair in a lab setting. With a sophisticated microscope, Kowalczykowski views live interactions of individual proteins functioning on single molecules of DNA.

“There was never one defining moment,” says Kowalczykowski. “Every five or 10 years you would come to the realization that something in bacteria is identical in humans. Once you realize the universality of the underlying process you realize that everything you learned in bacteria applied to humans, but those human cells are just more complicated.”

Personalized Medicine, the Future of Cancer Therapies

Telomeres, shown in green, protect chromosomes from damage. Xu Lab

Heyer, Kowalczykowski and dozens of other UC Davis researchers’ discoveries are creating the framework for the future of cancer therapies. By describing the behaviors of cancer-related genes such as BRCA1 and BRCA2, it will become possible to create specific profiles to target tumor growth. One day, physicians will be able to prescribe a customized treatment plan for each patient, based on their genetic profile.

“Many tumors, once they progress, accumulate sporadic mutations,” Kowalczykowski says. “If you knew what the mutations were in a particular patient’s cancer you could personalize a treatment. It’s all a knowledge-based form of decision- making. Compared to 10 to 20 years ago, it’s easier to find the base of mutation it’s easy to screen once you have descriptions of mutation and DNA repair genes. How we treat these mutations, that’s the next generation of discovery.”

The main approaches of cancer therapy are surgery, radiation and chemotherapy, often associated with severe side effects. Personalized therapies based on the individual genetic profile provide an alternative, or supplement, to chemotherapy and radiation treatments, which indiscriminately kill healthy cells and further damage the guardian genes’ ability to repair DNA.

These targeted therapies can seek out cancerous cells based on the specific, individual genetic makeup. So while DNA repair defects caused by mutations in BRCA1 and BRCA2 predispose individuals to cancer, they also make tumors uniquely susceptible to certain targeted treatments that have little effect on normal cells.

It turns out that BRCA-deficient cancer cells are sensitive to the blockage of a particular repair enzyme, Poly ADP Ribose Polymerase, or PARP for short. PARP is required for the repair of single-stranded nicks in DNA, and when left untreated, these nicks are processed into far more damaging DNA double-stranded breaks.

As recombination is the primary pathway to repair such breaks under these conditions, inhibiting PARP in BRCA-deficient cells very effectively kills tumor cells. PARP inhibitors are the first DNA-repair targeted drug approved by the Food and Drug Administration for the treatment of cancer.

For specific cases, it remains to be seen whether PARP inhibitors can be expanded to patients with other genetic defects in addition to BRCA mutations. But this groundbreaking discovery demonstrates that DNA repair genes have the ability to become an Achilles’ heel in certain cancers, making them an excellent therapeutic tool to kill tumor cells.

“To have so much biological knowledge that each person can be treated in a personalized way, that is the long-term strategy,” says Heyer. “Our effort is to establish the basic science and help translate these insights into the cancer clinic.”

While DNA repair might not be a silver bullet for all cancers, it is a leading methodology that aims to address the shortcomings of traditional treatments. Personalized medicine approaches based on an individual’s genetic profile are already saving lives by revealing predispositions to certain types of cancer before tumors begin to form.

As UC Davis researchers continue to investigate the genetic processes underlying cancer, therapies will shift to become more personalized and patient-specific. New methods will spur increased collaboration between researchers and physicians, improving a working model of feedback that will accelerate cancer treatments and help save lives. And as anyone who has been affected by cancer knows, a personal approach makes all the difference.