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FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Directores: M.A. Pisarev (CNEA, UBA, CONICET) y R.S. Calandra (UNLP, CONICET) Coordinadores: M.O. Suescun (UNLP, CONICET) y G. J. Juvenal (CNEA, CONICET) 23 • Química Montpellier FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r Los conceptos que se expresan en esta publicación son exclusiva responsabilidad de su autor y no involucran necesariamente el pensamiento del editor. SEPARATA MONTPELLIER Publicada por Química Montpellier S.A. Virrey Liniers 673 - Buenos Aires Director: Dr. Héctor Ascierto Química Montpellier • 63 FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Introducción Con este tercer fascículo continúa la publicación de una serie que intenta abarcar los conceptos más actualizados acerca de la Fisiopatología Endocrinológica, en sus aspectos bioquímicos y diagnósticos. Esta Especialidad ha realizado avances notables, en función de los nuevos conocimientos que incluyen entre otros, la Bioquímica, la Biología Celular y Molecular y los Métodos Diagnósticos no invasivos. Esta serie de fascículos está basada en la Maestría del mismo nombre que se dicta a nivel de postgrado. El creciente y constante interés y apoyo de numerosos colegas nos ha impulsado a emprender esta tarea, que no sería posible sin la invalorable colaboración de los numerosos co-autores, que son al mismo tiempo docentes de la Maestría. Para la concreción de este esfuerzo ha sido de fundamental importancia el entusiasta apoyo que nos brindaron las autoridades de Química Montpellier S.A., sin cuya participación esta Obra no se habría concretado. A todos ellos nuestro más sincero y profundo agradecimiento. El presente trabajo no tendría sentido si no contáramos con la cálida recepción de nuestros colegas de las diferentes profesiones y estudiantes avanzados vinculados a la Endocrinología. Es a ellos a quienes está dedicada la misma. Q uí m ic a M on tp el lie r 43 • Química Montpellier FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r • Principios del Metabolismo Celular. • Principios de Bioquímica y Genética Molecular en Eucariotes. Modelos Transgénicos. • Bases de la Genética en Endocrinología. Genoma. • Bases de la Inmunología en Endocrinología. Interacciones Inmuno-Endocrinas. • Introducción a la Endocrinología. Estructura y Función de las Hormonas. Secreción, Producción, Cinética y Transporte Hormonal. Cronobiología en Endocrinología. • Hormonas. Mecanismos de acción hormonal. Evaluación de un sistema hormona- receptor. • Exploración de la Función endocrina. Tipos de Ensayos. Control de Calidad. Tests Funcionales. Radioisótopos. Valores normales y Pruebas Funcionales. • Hormonas Digestivas. Fisiopatología y Diagnóstico. • Bases Moleculares de la Tumorigénesis. Oncogenes. Factores de Crecimiento. • Neuroendocrinología. Bases Fisiológicas. Fisiopatología y su Diagnóstico. • Corteza Suprarrenal. Bases Fisiológicas. Fisiopatología y su Diagnóstico. • Metabolismo Hidrosalino. Hormonas: Hipotálamicas, Adrenal y Cardiovasculares. Fisiopatología y su Diagnóstico. • Médula suprarrenal. Bases Fisiológicas. Fisiopatología y su Diagnóstico. • Tiroides. Bases Fisiológicas. Fisiopatología y su Diagnóstico • Metabolismo del Calcio. Bases Fisiológicas. Fisiopatología y su Diagnóstico. • Función Reproductiva Femenina. Bases Fisiológicas. Fisiopatología y su Diagnóstico. • Menopausia y Climaterio. Riesgos, Complicaciones y Laboratorio. • Función Reproductiva Masculina. Bases Fisiológicas. Fisiopatología y su Diagnóstico. • Biología de la Reproducción. Fertilización e Implantación. Reproducción Asistida. Unidad Fetoplacentaria. Anticoncepción. • Endocrinología Pediátrica. Desarrollo Normal. Fisiopatología y su Diagnóstico. • Cánceres Hormonodependientes. Fisiopatología y su Diagnóstico. • Páncreas Endocrino. Bases Fisiológicas. Fisiopatología y su Diagnóstico. • Trastornos de la Alimentación. Tejido Adiposo. Fisiopatología Hormonal. Obesidad, Anorexia y Bulimia. • Imágenes en el Diagnóstico de la Patología Endocrina. Contenido de la Obra: Fascículo IV : * Bases Moleculares de la Tumorigénesis. Oncogenes y Desarrollo Neoplásico Humano Alejandro G. Mladovan y Alberto Baldi (IBYME; CONICET) Genes Supresores Tumorales Alejandro G. Mladovan y Alberto Baldi (IBYME; CONICET) Factores de Crecimiento Patricia Elizalde (IBYME, CONICET)) * Neuroendocrinología. Bases Fisiológicas. Fisiopatología y su Diagnóstico. Hipotálamo. Hipófisis: estructura macro y microscópica. Pablo Scacchi (Facultad de Medicina, UBA; CONICET) Neurotransmisores. Eduardo Spinedi (Laboratorio de Neuroendocrinología del IMBICE CICPBA-CONICET, La Plata). * Hormonas Digestivas Pablo Scacchi, Osvaldo Ponzo (Facultad de Medicina, UBA, CONICET) Q uí m ic a M on tp el lie r Química Montpellier • 5. 63 • Química Montpellier FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r Oncogenes y Desarrollo Neoplásico Humano Alejandro G. Mladovan y Alberto Baldi característicos (gag, pol y env), un gen extra designado v-src (forma abreviada de sarcoma) con capacidad oncogénica. Posteriormente, H. Varmus y J. Bishop, demostraron que dicho gen se encuentra presente en el genoma de los vertebrados, indicando que tanto src como otros genes transformantes descubiertos en retrovirus, son en realidad genes eucariotas que fueron adquiridos y modificados por virus a partir de una infección ancestral. De esta forma, los oncogenes o genes capaces de inducir características de transformación neoplásica, representan formas alteradas de genes celulares normales denominados proto-oncogenes. El proceso por el cual un gen celular con función normal da lugar a uno con capacidad transformante (oncogén) se denomina activación oncogénica. En la actualidad, se conocen un gran número de oncogenes celulares, ya sea identificados a partir de retrovirus oncogénicos (que no afectan a humanos), aislados de tumores humanos o demostrados por transfección celular. Existen además, oncoproteínas presentes en virus a ADN, que no poseen homología con proteínas celulares y que son utilizadas para dirigir y activar la maquinaria de transcripción celular en favor de la expresión de genes virales. INTRODUCCIÓN En un organismo eucariote superior adulto, las células se encuentran normalmente en reposo y sólo proliferan ante un estímulo externo. Diversos factores activadores de la proliferación celular como citoquinas, hormonas, el contacto con otras células o componentes de la matriz extracelular, inducen la duplicación celular, su diferenciación o muerte programada (apoptosis). El control de estos procesos es mediado principalmente por la interacción entre estos factores y sus receptores celulares específicos, los cuales producen una cascada de señales intracelulares que inducen la expresión o represión de diversos genes y la desregulación de los mecanismos internos que mantienen a la célula en reposo. En la célula neoplásica, el control de estos mecanismos se pierde parcialmente, favoreciendo su proliferación en lugar de su reposo. En los últimos 25 años se ha logrado un notable avance en el conocimiento de los factores y mecanismos que gobiernan este equilibrio, principalmente a través del estudio de los oncogenes y de los genes supresores tumorales. Los oncogenes fueron puestos de manifiesto a mediados de la década de 1970 cuando se descubrió que el virus del Sarcoma de Rous, capaz de inducir sarcomas en pollos, posee además de los tres genes retrovirales FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Mecanismos de activación oncogénica Los proto-oncogenes pueden ser activados por diversos mecanismos,los más frecuentes son: a) amplificación génica: el aumento en el número de copias por genoma de un determinado proto-oncogén puede generar un elevado nivel (sobre-expresión) de oncoproteínas con la consiguiente amplificación en la señal proliferativa. b) translocación cromosómica: se asocian a un gran número de neoplasias hematológicas y son adquiridas somáticamente por recom- binaciones ilegítimas entre los cromosomas durante la mitosis o durante el reordenamiento somático de los genes, como por ejemplo en los de inmunoglobulinas. Cuando el sitio de recombinación se encuentra adyacente a un proto-oncogén, puede ocurrir que éste intercambie su promotor transcripcional, dando lugar a la expresión inadecuada de la proteína oncogénica. Alternativamente, el sitio de recombinación puede encontrarse dentro de la zona codificante del proto-oncogén, dando como resultado una proteína truncada o quimérica con actividad biológica anormal. c) mutaciones: diversos tipos de mutaciones pueden alterar la actividad de sus proteínas codificadas, pudiendo activarse sin necesidad de responder a sus estímulos regulatorios naturales. d) pérdida de impronta genómica: la impronta genómica es un proceso epigenético normal que establece diferencias funcionales en ciertos genes, dependiendo que éstos hayan sido heredados paterna o maternalmente, estableciendo una expresión monoalélica. Las perturbaciones de este mecanismo podrían dar lugar a la aparición desórdenes metabólicos asociados con neoplasias, ya sea a través de la sobre-expresión de un oncogén (en el caso de que un alelo normalmente silente se active) o por la pérdida del único alelo funcional (ver capítulo de Genes supresores tumorales). Clasificación y mecanismos de acción de los proto-oncogenes Según la función y localización de las proteínas codificadas por los proto-oncogenes, éstos se suelen clasificar en (Ver Figura 1): a) extracelulares: son factores de crecimiento que estimulan la proliferación de las células tumorales. Dentro de este grupo se encuentran el sis, (o PDGF-B), y diversos miembros de la familia del FGF. b) de membrana: se localizan en la membrana externa celular y comprende a diversos subgrupos según su funcionalidad: i) receptores con actividad de tirosina quinasa (RTK): son generalmente receptores para factores de crecimiento. Suelen activarse por amplificación génica o por mutaciones que posibiliten su dimerización, generando así señales intracelulares proliferantes. Conforma uno de los grupos más importantes, entre los que se destacan la familia de ErbB (receptores para el EGF y heregulinas), Ret, Met, Fms, y Trk, entre otros. ii) tirosina quinasas (TK) asociadas a receptores: Se asocian a la membrana interna celular por residuos de ácidos grasos (acilo) y juegan un rol importante en la transducción de señales de receptores que no poseen actividad quinasa. Diversas mutaciones incrementan su actividad TK aunque no se observan frecuentemente activados en tumores. Forma parte de este grupo el Src, de expresión ubicua, Lck, Fgr, Lyn, Fyn y Hck, que se expresan mayoritaria-mente en células hematopoyéticas. iii) proteínas G pequeñas: Son trans- ductores de señales asociados a ciertos receptores de membrana que, ante un estímulo extracelular, se activan intercambiando GDP por GTP, promoviendo así mecanismos de señales intracelulares. Mediante la hidrólisis del GTP a GDP, la proteína retorna a su estado inactivo. Se encuentran representados por la familia del ras (H-ras, K-ras, N-ras) y sus homólogos (R-ras-1, -2 y –3), y frecuentemente se activan en los tumores sólidos. Ras interviene en la Q uí m ic a M on tp el lie r Química Montpellier • 7. .8 • Química Montpellier FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r transducción de un gran número de receptores TK, activando principalmente las vías de Raf- MAPK, PI3K-Akt y RalGDS-Rac (Ver Figura 2). De acuerdo al linaje celular, la vía principal activada y la presencia de otros factores, Ras puede provocar la activación o la inhibición de procesos tan importantes como proliferación, apoptosis o diferenciación. Además, Ras participa en procesos de invasión, metástasis y angiogénesis. La forma de activación más frecuente es por mutación, especialmente en los codones 12, 13, 59 o 61, que favorecen el intercambio GDP/GTP u ocasionan una disminución de su capacidad para hidrolizar el GTP, dando lugar a la forma constitutivamente activa de la proteína Ras. c) citoplasmáticos: dentro de este grupo se describen a proteínas solubles con actividad de serina/treonina quinasa involucradas en la transducción de señales, como la familia Raf y Mos. También existen proteínas adaptadoras como Vav y Crk. d) nucleares: La mayoría de estos proto- oncogenes son reguladores de la transcripción de otros genes que controlan el ciclo celular, la diferenciación o la apoptosis. Ejemplos de este grupo lo constituyen las familias de genes myc, fos y jun. En particular, la expresión de c-myc, se encuentra estrictamente regulada en células normales (únicamente se expresan ante un estímulo celular), mientras que diversos tumores lo expresan en forma descontrolada. Este factor puede modular, directa o indirectamente, la transcripción de un gran número de genes como la telomerasa, ornitina decarboxilasa, diversas ciclinas y cdks (quinasas dependientes de ciclinas), e inhibidores de ciclinas/cdks. De acuerdo al linaje celular y a la suma de señales que recibe la célula, la activación de c-myc puede inducir efectos tan diversos como la proliferación, apoptosis o aberración cromosómica. Entre otros ejemplos, podemos mencionar a las ciclinas, que controlan la actividad de cdks específicas y regulan la entrada y progreso del ciclo celular (ver capítulo Genes Supresores Tumorales), y Abl, una TK nuclear capaz de unirse al ADN, que regula la transcripción y reparación del ADN que se halla implicada en procesos de división, diferenciación y anclaje celular. Cabe mencionar la existencia de diversos oncogenes de relevancia biológica, que difícilmente pueden incluirse dentro de las clasificaciones previas, como la proteína Bcl-2, localizada en la membrana mitocondrial. Esta proteína forma dímeros con diversas proteínas pro- y anti-apoptóticas y cuando sus niveles son elevados, inhibe la apoptosis, favoreciendo de esta forma la proliferación celular. Por su parte, hdm-2 es una fosfoproteína que migra del núcleo al citoplasma y regula a la proteína p53. Química Montpellier • 9. FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r Fig. 1. Esquema de clasificación general de las proteínas codificadas por proto-oncogenes. 10 • FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Interacción entre los oncogenes - Su función en la transmisión de señales mitogénicas El extraordinario grado de conservación evolutiva de la mayoría de los proto-oncogenes, su función molecular y su implicancia en diversas neoplasias, sugiere que los productos de estos genes controlan pasos cruciales en los procesos que determinan la diferenciación, proliferación o muerte celular. Notoriamente, la “vía de las MAPK”, en la que participan varios productos de proto-oncogenes como RTKs y TKs asociadas a receptores, Ras, Raf, MEK y Fos/Jun. Es fácil comprender entonces, como la sobre-expresión autocrina de un factor de crecimiento o de sus receptores, la activación oncogénica de Ras o de sus quinasas efectoras, o la desregulación de diversos factores que controlan la expresión génica (factores de transcripción) o el ciclo celular (ciclinas), promuevan la proliferación celular independientemente de su entorno. La Figura 2 esquematiza a los diversos sistemas de transducción de señales relacionadas con el control de ciclo celular o la apoptosis. Entre los más importantes puedenseñalarse: a) las vías de MAPK, PI3K-AKT y WNT; como así también las vías reguladas por hormonas a través de GPCR (receptores acoplados a proteínas G) o receptores nucleares y b) los mecanismos de control ejercidos por genes supresores tumorales (GST) (ver más adelante) como las vías de pRB y p53 y diversos componentes que controlan el ciclo celular. Se observa además la compleja interacción que existe entre las diversas vías de señales y la gran cantidad de factores involucrados en el proceso de generación de un cáncer, tanto oncogenes como GSTs, que participan en estos procesos de transducción de señales. • 11 FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Fig. 2. Esquema de diversos mecanismos de transducción celulares. La mayoría de las vías y diversos componentes de las mismas, se muestran simplificadas para mayor claridad del esquema. Las flechas negras indican interacciones activadoras y las rojas, mecanismos inhibitorios. En rojo se denotan oncoproteínas que se encuentran activadas en cáncer humano y en rosa a las proteínas provenientes de oncogenes que no se activan frecuentemente en cáncer humano. Los productos de GSTs se indican en verde. Este esquema es una modificación de Hannahan y Weinberg (Cell 2000, 100:47-70). 12 • FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r Oncogenes asociados a neopla- sias humanas La mayoría de los genes transformantes que reciben el rótulo de oncogenes han sido caracterizados únicamente por su actividad transformante “ in vitro” o cuando se encuentran asociados a retrovirus oncogénicos, es decir, no suelen estar relacionados con patologías neoplásicas humana. Sin embargo, existe un gran número de oncogenes que sí se encuentran vinculados con la génesis o progresión de diversos cánceres en humanos. Por ejemplo, el gen del receptor para EGF (ErbB- 1) se encuentra sobre-expresado en cáncer de mama, pulmón, vejiga, y carcinoma de células escamosas y el HER2/neu (ErbB-2) en neoplasias gastrointestinales, pulmón, próstata, ovario y en una considerable proporción (30%) de carcinomas invasivos de mama. En estas dos últimas patologías, su activación constituye un importante indicador de un pobre pronóstico de sobrevida. Por otra parte, el Met, se sobre- expresa en neoplasias de estómago, colon, astrocitoma y melanoma y mutaciones de este gen también se asocian con el carcinoma renal papilar hereditario. Otro RTK, el Ret, resulta de gran interés dado que diversas formas mutadas se describieron en familias con neoplasias endócrinas múltiples tipo 2A y 2B (MEN2A y 2B) y en el carcinoma familiar medular de tiroides. Estos dos oncogenes, son los únicos descriptos que pueden ser heredados en forma autosó-mica dominante. En ciertos carcinomas gástri-cos, se ha observado la presencia de variantes alélicas o sobre-expresión del FGFR- 2 y la mayoría de los tumores gastrointestinales estromales poseen mutaciones en el receptor Kit (60%) o en el PDGFR-A. Por otra parte, los miembros de la familia de genes ras se activan frecuentemente en neoplasias humanas, apareciendo mutado en el 30% de los tumores sólidos, especialmente en páncreas (95%), colon (50%) y pulmón (30%). Diversas ciclinas (D1, D2, D3 y E), se sobre- expresan en patologías neoplásicas, correlacio- nando con la agresividad tumoral. Así, la ciclina D1 se encuentra amplificada en carcinoma de mama (45%), colon (40%), esófago, páncreas, hígado, vejiga, en carcinomas de células escamosas de cabeza y cuello, y de células no pequeñas de pulmón, representando un marcador de pronóstico desfavorable. Los miembros de la familia myc se activan en células en rápida crecimiento y en diversos tumores. Por ejemplo, c-myc y L-myc se sobre- expresa en carcinomas de mama, de pulmón a células pequeñas, de colon y estómago y N- myc exhibe una significativa correlación entre su amplificación en neuroblastomas y en los estadíos más avanzados de esta patología. Por otra parte, los linfomas de Burkitt muestran invariablemente translocaciones t(8;14), t(2;8) o t(8;22), en donde el gen c- myc queda bajo el control de los promotores de genes de inmunoglobulinas, promoviendo así la expresión patológica de este oncogén. Por otra parte, en el 95% de pacientes con leucemia mieloide crónica y en algunas formas de leucemias mieloide aguda y linfoblástica, se detecta la translocación t(9;22) (cromosoma de Filadelfia), generando una proteína quimera Bcr-Abl, con una actividad constitutiva de TK, patognomónica de esta enfermedad. Asimismo, Bcl-2, se transloca en el 90% de los linfomas foliculares y se sobre-expresa en un gran número de neoplasias. Por último, cabe destacar que se ha observado la pérdida de impronta en un grupo de genes agrupados en el cromosoma 11p15.5 (IGF-2, H19, p57KIP2, entre otros) en diversas patologías como en el tumor de Wilms, carcinoma de colon, tumor adrenocortical, rabdomiosarcoma y hepatocarcinoma. • 13 FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r Nuevas terapias basadas en la biología molecular del cáncer Estos ejemplos demuestran el papel importante que juegan diversos oncogenes en el desarrollo neoplásico y, al mismo tiempo, cómo el estudio de sus funciones y alteraciones permitirán el desarrollo de estrategias racionales para el diagnóstico y tratamiento mas apropiado de las diferentes formas de cáncer. Así es que se han desarrollado anticuerpos monoclonales (AcMs) recombinantes contra HER2 (Herceptin®), para el tratamiento de cáncer mamario metastásico que sobre- expresa este RTK. También se encuentran avanzados los ensayos clínicos en cáncer colorectal, de próstata, riñón y pulmón, de dos AcMs (Cetuximab y ABX-EGF), dirigidos contra el receptor para EGF (EGFR o ErbB-1), contra factores pro-angiogénicos como el VEGF (Avastin®), que son expresados por un gran número de tumores, y contra KDR, el receptor del VEGF (IMC-1C11). Asimismo, hay un gran interés en el desarrollo de pequeñas moléculas capaces de inhibir la actividad quinasa de diversos oncogenes, permitiendo incrementar el arsenal de agentes terapéuticos para estas patologías. El primero de éstos que ha llegado a la terapéutica es el Gleevec (Imatinib o STI571), capaz de inhibir específicamente a Abl y Kit, para el tratamiento de la leucemia mieloide crónica y de tumores gastrointestinales a células estromales. Recientemente, Iressa® (Gefitinib), un inhibidor de la actividad TK del EGFR, ha sido aprobado por la FDA para el tratamiento de cáncer de pulmón de células no pequeñas. Diversos RTKs, kinasas citoplasmá- ticas y complejos cic/cdks, entre otros, son blancos importantes para el desarrollo de estos inhibidores. Por su parte, la vía de transducción de p21Ras ha suscitado gran interés como blanco de posibles terapias principalmente a través del desarrollo de inhibidores de la enzima farnesil-transferasa, que interviene en el anclaje de p21Ras a la membrana celular y poder anular así, su función en diversos tumores o bloqueando efectores del p21Ras , como Raf o MEK. Asimismo, el uso de drogas que regulan la metilación del ADN permitiría rescatar la expresión de genes cuya transcripción se halla alterada por metilación de CpG, como sucede en diversos casos de pérdida de imprinting. Conclusiones Los conceptos expuestos en el presente capítulo resumen parte del gran esfuerzo realizado en los últimos 30 años para comprender las procesos genéticos y moleculares del cáncer y, en tal sentido, los proto-oncogenes han provisto información fundamental para entender los mecanismos que regulan la proliferación, diferenciación y apoptosis celular. El desarrollo del cáncer involucra la acumulación de varios cambios genéticos en los cuales la activación de oncogenes y la inactivación de genes supresores, permiten a la célula proliferar independientemente de las señales de su entornoy evadir la apoptosis (ver Figura 2). De esta forma podemos visualizar al control normal de la proliferación celular como un sistema con “aceleradores” (proto-oncogenes) y “frenos” (supresores) en equilibrio. Los proto-oncogenes favorecen la proliferación ante estímulos externos, principalmente en el desarrollo fetal, el crecimiento, la reparación de tejidos o la renovación celular, mientras que ciertos genes supresores controlan que las células no proliferen excesivamente para mantener la estructura tisular normal. La falta de estos frenos (pérdida del supresor) o la “aceleración” descontrolada (activación de oncogenes), favorecerían una proliferación celular anormal, con el consecuente desarrollo neoplásico. Un concepto similar puede 14 • FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r elaborarse para el control de la apoptosis y sobrevida celular. Por último, cabe destacar que, a medida que la célula comienza a proliferar indiscriminadamente, ésta es susceptible de acumular nuevas mutaciones que favorecerán aún más la formación de células cancerosas. Es importante señalar que para que un tumor pueda formarse, no sólo es necesaria la proliferación desrregulada y la sobrevida celular, sino que además deberá adaptarse, a través de nuevas mutaciones genéticas, a dividirse indefinidamente (expresión de telomerasa), a interactuar con un nuevo entorno celular (cambios en los receptores de la matriz extracelular), a regular en su favor la expresión de factores estromales, a adquirir características que permitan su invasividad y metástasis (moléculas de adhesión celular, metaloproteinasas), a evadir el sistema inmune (regulación del complejo mayor de histocompatibilidad, regulación de citoquinas) y a favorecer la angiogénesis tumoral para proveerse de oxígeno y nutrientes a medida que el tumor crece (expresión de factores pro- angiogénicos). En conclusión, los oncogenes han resultado herramientas importantes para el diagnóstico y pronóstico de diferentes patologías neoplásicas, y su estudio, como parte del entendimiento de los mecanismos que favorecen el desarrollo tumoral, permitirá el desarrollo de nuevas terapias específicas para el tratamiento del cáncer. Bibliografía En internet: www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed, permite acceder a diversos libros de texto (Bookshelf), bases de datos con descripción de genes y las enfermedades en las que están involucrados (OMIM), como a resúmenes de bibliografía científica. • Stehelin D. et al. DNA Related to the Transforming gene(s) of Avian Sarcoma Viruses is Present in Normal Avian DNA. Nature 1976, 260:170-73. • Marx J. Oncogenes Reach a Milestone. Science 1994, 266: 1942-44. • Cavenee WK, White RL. The Genetic Basis of Cancer. Scientific American. 1995, 273:50-57. • Park M. Oncogenes: Genetic Abnormalities of Cell Growth. En: Scriver C.R. et al. Eds. The Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease. 7th Ed. New York; Mc Graw-Hill, Inc. 1995, 589-611. • Hunter T. Oncoprotein Networks. Cell. 1997, 88:333-46. • Baldi A. y Mladovan A.G. Biología Molecular del Desarrollo Neoplásico Humano. Texto: Medicina.Capítulo XV: 1998, 1653- 1662. Centro Editor de la Fundación Favaloro. Branco Mautner. Ed. • Bast Jr. R. et al. Cancer Medicine. 5th edition, Ed. B.C. Decker Inc. 2000, 2:18–26. • Druker B.J. STI571 (Gleevec™) as a paradigm for cancer therapy, Trends in Molecular Medicine. 2002, 8:S14-S18. • Hannahan D y Weinberg R. The hallmarks of cancer. Cell. 2000, 100: 47-70. • Wherlock M. et al. Farnesyltransferase inhibitors disrupt EGF receptor traffic through modulation of the RhoB GTPase. J Cell Sci. 2004,117:3221-31. • Trikha M, Yan L y Nakada, MT. Monoclonal antibodies as therapeutics in oncology. Currrent Opinion in Biotechnology. 2002, 13:609-614. • Pelengaris S. and Khan M. The many faces of c-MYC. Arch. Biochem. Biophys. 2003, 416:129-36. • 15 FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r El cáncer es un proceso progresivo en el cual la acumulación de mutaciones en el ADN, espontáneas o provocadas por el ambiente, promueven la proliferación celular descontrolada. Estas mutaciones afectan principalmente a genes involucrados en el control de la proliferación, la regulación de la apoptosis y la reparación del daño al ADN y, de acuerdo a como participan en estos procesos, se pueden clasificar en oncogenes o genes supresores tumorales (GST). Los GSTs codifican generalmente proteínas que inhiben la formación de tumores y ejercen funciones restrictivas de la proliferación celular, de esta forma, las mutaciones que inactivan los mismos (pérdida de función) favorecen el desarrollo de las neoplasias. Basándose en estudios en retinoblastoma, un tumor pediátrico, que en el 30-40% de los casos afecta a ambos ojos y posee un componente hereditario, Alfred Knudson formuló en 1971, la hipótesis de los “dos eventos”. La misma se basa en que ambos alelos de un gen particular, que denominó Rb, deben inactivarse para dar lugar al desarrollo de esta enfermedad. En cánceres hereditarios, el individuo portador de un alelo mutado (“primer evento”), presente en las células germinales, es fenotipícamente normal, debido a que en su condición de heterocigota, el gen normal remanente es suficiente para mantener un equilibrio funcional. Sin embargo, cuando en las células somáticas se inactiva el alelo normal remanente (“segundo evento”), se pierde el control de la proliferación, favoreciendo el desarrollo tumoral. En neoplasias no hereditarias, la inactivación de GSTs ocurre en las células somáticas donde ambos alelos resultan alterados con la consecuente pérdida de función. A diferencia de los oncogenes, que actúan en forma dominante, las alteraciones de los GST suelen ser recesivas, es decir, que ambos alelos deben estar inactivados para causar la pérdida del control de la proliferación. Por lo general, una copia se inactiva por mutaciones de diversa índole (deleciones, mutaciones “misssense, nonsense, frameshift”), o cambios en la metilación de GpC de las secuencias promotoras de un gen, generando una proteína inactiva o la pérdida de expresión de la misma. La segunda copia suele inactivarse por LOH (pérdida de heterocigocidad), quedando sólo una copia defectuosa. Este proceso puede ocurrir por recombinaciones entre el alelo normal y el mutado, o ser originado por nuevas mutaciones. También se ha observado el fenómeno de haploinsuficiencia, en la cual la presencia de un solo alelo normal no es suficiente para detener la proliferación celular. Genes Supresores Tumorales Alberto Baldi y Alejandro G. Mladovan INTRODUCCIÓN 16 • FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Rb (Retinoblastoma) El gen Rb (crom. 3q14.11), propuesto por Knudson en la génesis del retinoblastoma, fue el primer GST aislado (1986) y constituye el prototipo de un gen que predispone genéticamente al desarrollo de un cáncer. La proteína codificada por este gen (pRb) actúa como un represor transcripcional que impide a la célula pasar de G1 a la fase S (síntesis de ADN). pRb une (e inactiva) a los factores transcripcionales E2F/DP-1 en las regiones promotoras de los genes que controlan el ciclo celular y recluta a la enzima histona deacetilasa (HDAC), provocando la condensación de la cromatina y la represión de estos genes, dando lugar a la detención del ciclo celular en G1. En la presencia de estímulos mitogénicos o frente a la ausencia de agentes inhibitorios (ej.: TGFβ), pRB es fosforilado por cdk4/6 y cdk2 (quinasas dependientes de ciclinas), liberando al complejo E2F/DP-1 y a HDAC, y permitiendo así la transcripción de los genes necesarios para la progresión a la fase S (ver Figura 1). Concluída la fase S, pRb es defosforilado por fosfatasas específicas, inactivando nuevamente a E2F/DP-1, e imposibilitandola reiniciación del ciclo celular. Fig. 1. Vías de pRb y p53. Efecto de los componentes regulatorios del ciclo celular (cic/cdks y sus inhibidores) sobre la regulación de la expresión génica mediada por pRb. Se destacan además las funciones principales de p53, algunos de sus mecanismos de regulación y la interacción entre estas dos vías de control. • 17 FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r De esta forma, la pérdida de función de Rb conduce a la progresión de la división celular sin los controles adecuados. Cabe destacar que, si bien Rb no se encuentra frecuentemente afectado en el cáncer humano a excepción del retinoblastoma, se observan generalmente otras alteraciones en diversas patologías tumorales, como la amplificación de ciclinas (ver capítulo Oncogenes), o la inactivación de inhibidores de CDKs/ciclinas (ver más adelante Ciclo Celular y Cáncer), cuyos efectos eventualmente culminan en la inactivación de la vía normal de la pRb. Asimismo, diversas oncoproteínas virales como el antígeno T (SV40), E1A (adenovirus) o E7 (HPV), se pueden unir e inactivar a pRb, liberando el control del ciclo celular. Por último, se han descripto una familia genes relacionados con funciones similares denominadas p107 y p130. p53 La regulación de p53 y el control que esta proteína ejerce en el ciclo celular y la apoptosis, resulta una cuestión central en la tumorigénesis humana. Se han demostrado diversas mutaciones en p53 en el 50% de todos los cánceres humanos analizados. Cuando las células reciben ciertas señales de “stress”, como un daño genotóxico, hipoxia o activación de oncogenes, se incrementan los niveles intracelulares de p53 regulando la transcripción de genes que, según el linaje celular y su interacción con otras señales, promoverán la detención del ciclo celular y la reparación del ADN, o directamente inducirán la apoptosis celular. Así, la célula evita la propagación de alteraciones en el ADN que pudieran favorecer la tumorigénesis. Diversas mutaciones o deleciones en el gen p53 que generan una proteína mutada, la activación de ciertos oncogenes o la presencia de diversas proteínas virales (AgT-SV40, E6-HPV, etc.), resultan en la inactivación de p53 y la pérdida del mecanismo de control de la replicación celular. La proteína p53 está compuesta por cuatro dominios funcionales que le permiten regular la transcripción de diversos genes y unirse al ADN o a otras proteínas. Actúa en forma de un homotetrámero, y es suficiente que uno de los componentes se modifique para que el complejo se inactive (es decir, actúe como dominante negativo), lo que explica por qué no es necesaria la pérdida de funcionalidad de los dos alelos y por qué al principio se consideraba a p53 mutada (caracterizada previamente que la versión normal), como a un oncogén. Normalmente, los niveles celulares de p53 son bajos, debido a que el proto-oncogén HDM2, estimula la ubiquitinación y degradación de p53. Cuando existe un daño en el ADN, se activan diversas quinasas como DNA-PK, ATM, ATR y CHK2, que fosforilan a p53, inhibiendo la acción de HDM2, posibilitando así la acumulación de p53 con el incremento de su actividad transactivadora. Por otra parte, oncoge-nes como ras o c-myc, son capaces de estimular la expresión del GST p14ARF que inhibe la acción de HDM2, con la consiguiente activación de p53 (ver Figura 2). Asimismo, los niveles del ARNm de p53 también se encuentran regulados y, además de la fosforilación y la ubiquitinación, otras modificaciones postraduc-cionales como acetilación, glicosilación y ribosilación también modulan la actividad de esta proteína. Se calcula que p53 puede regular, positiva o negativamente, la expresión de más de 100 genes, algunos de ellos involucrados en: ciclo celular (p21CIP1, ciclinas D1 y G, PCNA, TGFα, etc.), apoptosis (BAX, Bcl-L, FAS1, FASL, etc.), reparación del ADN (GADD45, PCNA , etc.), inhibición de la angiogénesis (trombospondina- 1 y BAI1) y control de la senescencia. Asimismo, p53 también estimula la expresión de HDM2, creando un sistema de retroalimen-tación negativa de su propia expresión y puede interaccionar con diversas proteínas del complejo transcripcional, del complejo de reparación del ADN (BRCA-1, RAD51 y 54), bcl- 2 (anti-apoptóptico), HIF-1α (regulado por la hipoxia), PTEN (un GST), y ciclina A, entre otras proteínas (ver Figura 2). Su función esencial en el punto de restricción G1/S del ciclo celular y su acción como nodo integrador de señales de proliferación e integridad del ADN, explican porqué la inactivación de p53 produce efectos tan importantes en la célula y la razón de su frecuente mutación en el cáncer humano. Cabe 18 • FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r destacar que la mayoría de estos procesos de señalización no ejercen su función en forma lineal, si no a través de una red de señales en las cuales diversas vías interactúan entre sí, regulándose unas a otras (ver Figura 2 y Figura 2 del Capítulo de Oncogenes). Por último, se han descripto otras dos proteínas (p63 y p73), con características funcionales similares a p53 que colaboran con la función de esta proteína. Ciclo celular y cáncer El complejo mecanismo de división celular se encuentra regulado, en gran parte, por una serie de fosforilaciones proteicas mediadas por complejos de ciclinas y cdks (quinasas de ciclinas), que facultan a las células para comenzar y continuar con las fases específicas del ciclo celular. Las diversas ciclinas (cic) se expresan en determinados períodos del ciclo celular y regulan la actividad y especificidad de las cdks. Entre los sustratos de estas quinasas se encuentran otras cdks, creando un complejo patrón de regulación y proteínas pertenecientes a la familia de Rb. Conjuntamente con dichos complejos promotores, existe un grupo de proteínas inhibidoras de las cic/cdks, muchas de ellas identificadas como productos de GSTs que se dividen en dos familias: a) INK4, formada por p16Ink4a, p15 Ink4b, p18Ink4c y p19Ink4d, llamadas así porque inhiben cdk4/6 y b) Cip/ Kip, que comprende p21Cip1, p27Kip1 y p75Kip2. La expresión de algunas de estas proteínas se regula por señales que inhiben la proliferación celular, por ejemplo, p27KIP1 y p15Ink4b, son inducidas en respuesta al TGF-β1 o por el contacto célula-célula. Por otra parte, 21CIP1, inhibe a diversas ciclinas/cdks y es regulada por p53 cuando la célula entra en senectud o cuando se produce un daño en el ADN. En la Figura 1 se esquematiza la acción de diversas cic/cdks, sus inhibidores y la participación de estas entidades en la integración de señales antiproliferativas a través de la vía de pRb. La inactivación de estos GST ha sido descripta en diversas patologías. En este contexto es fundamental la vía integrada por p16 Ink4a, ciclina D-cdk4/6 y pRb, que operan en la fase G1/S del ciclo celular. Uno de estos cuatro grupos de genes está alterado o mutado en prácticamente todos los cánceres estudiados. Por ejemplo, p16Ink4a se inactiva por metilación en un número significativo de cánceres y en el melanoma familiar. Otro inhibidor, p57Kip2, se encuentra “suprimido” en diversos tumores por LOI (ver capítulo de Oncogenes). GST en cáncer colorectal: APC y DCC La susceptibilidad de contraer cáncer colorectal (CCR) hereditario está ligada a diversas mutaciones genómicas. Los pacientes con Poliposis Familiar Adenomatosa (FAP, Familar Adenomatous Polyposis), desarrollan cientos de pólipos en el colon y el riesgo de CCR es mayor al 95% si no se practica la colectomía profiláctica. La FAP se origina por mutaciones en el gen APC (Crom. 5q21) y se transmite en forma autosómica dominante. Se han descripto >700 mutaciones distintas, dando lugar a la formación de proteínas truncadas tanto en FAP como en los estadíos iniciales de CCR nohereditarios. La proteína APC forma parte de la vía de señales de WNT, y regula los niveles del proto-oncogén β-catenina, favoreciendo su degradación. Ante un estímulo de los receptores de WNT, APC libera a la β- catenina, la cual incrementa sus niveles y migra al núcleo, donde interacciona con el factor de transcripción TCF-4, induciendo la expresión de diversos genes como c-myc y ciclina D, favoreciendo la proliferación celular y regulando las vías de p53 y pRb, entre otros procesos (ver Figura 2 del capítulo de Oncogenes). Cuando el gen APC es inactivado por mutaciones, esta vía se desregula. Asimismo, en pacientes que no tienen mutaciones en el APC, se observan mutaciones activantes de la β-catenina. Por otra parte, la pérdida del gen DCC (crom. 18q21) ocurre en el 70% de los individuos con CCR y en el 50% de los casos portadores de grandes adenomas. La proteína DCC, presente en la membrana celular, participa en los procesos de adhesión y metástasis. • 19 FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r GST involucrados en la repara- ción del ADN Además de los GSTs que actúan controlando la proliferación celular o la apoptosis, existe otros GSTs que no promueven directamente la iniciación tumoral. Los productos de estos genes actúan sobre mecanismos de reparación del ADN y su inactivación favorece la inestabilidad genómica, con la consiguiente aparición y propagación de mutaciones. Generalmente, estos genes se encuentran preferentemente asociados a la generación de “susceptibilidad tumoral” en patologías hereditarias, en comparación con el cáncer esporádico. Ejemplos de estos genes son el BRCA-1 y 2, en cáncer de mama y ovario, MLH1, MSH2 y MSH6 en cáncer colorectal no poliposo hereditario (HNPCC), ATM en ataxia telangiectasia, FANC (A, C, D y E) en la anemia de Fanconi y CHK2, entre otros. Se estima que el 5-10% de los cánceres de mama y ovario son de carácter hereditario y, aproximadamente el 60% de estos casos se deben a mutaciones de los genes BRCA- 1 y 2 (cromosomas 17q21 y 13q12-13, respectivamente). Si bien no se conoce aún el mecanismo de acción de estas proteínas, se ha demostrado que intervienen en el reconocimiento y reparación del ADN dañado, principalmente a través de mecanismos de recombinación homóloga, colaborando con otras proteínas en la regulación de la expresión de diversos genes, en el remodelado de la cromatina y en los “puntos” de control (checkpoints) del ciclo celular. La actividad de BRCA1 puede ser regulada por la fosforilación de diversas enzimas que controlan la integridad del ADN, como ATM y chk2. Se considera que participan de un complejo en el que se encuentran diversas proteínas reparadoras del ADN como RAD50 y 51, MSH2 y 6. Asimismo, FANCD2, que forma parte del complejo FANC, involucrado en la protección contra ruptura cromosómica, también interactúa con la proteína BRCA. Estos componentes se encuentran frecuentemente mutados en la anemia de Fanconi, En el caso de pacientes con HNPCC, que poseen un riesgo de padecer cáncer colon del orden del 70%, se observan mutaciones en genes de reparación de errores relacionados con la complementaridad de bases del ADN, como MLH1, MSH6 o MSH2 (y menos frecuentemente en PMS1 o PMS2), con la subsecuente acumulación de mutaciones en otros genes e inestabilidad microsatelital. Los productos de estos genes forman heterodímeros entre sí exhibiendo diversas funciones en el reconocimiento y reparación de errores en el ADN. Otros GST La lista y funciones de GSTs es extensa y se han descrito sólo los más importantes. Entre otros GST que participan en diversas patologías podemos mencionar: a) NF-1 y NF-2 en neurofibromatosis de von Recklinghausen, uno de los desórdenes autosómicos dominantes más comunes en humanos que muestra un patrón de proliferación anormal de la cresta neural. NF- 1 codifica una proteína de la familia GAP (ver Oncogenes), que es un efector negativo de p21Ras. b) VHL (Von Hippel Lindau), ligado al desarrollo del carcinoma renal (familiar y esporádico). Recientemente, se ha descrito que esta proteína regula la degradación en normoxia de HIF-1α (un regulador clave en la respuesta angiogénica a la hipoxia). Así, la alteración de VHL promueve una profusa angigénesis, factor fundamental para el desarrollo de diversos tumores. A nivel genómico, la inactivación del gen VHL ocurre por metilación de la región promotora o por deleciones. c) WT-1 en tumor de Wilms, un nefroblas- toma de la niñez que codifica para metalo- proteínas con capacidad regulatoria transcrip- cional. d) PTEN, frecuentemente mutado en diversos cánceres como glioblastomas, tumores de próstata, de pulmón a células pequeñas, tumores renales, melanomas y meningiomas. Codifica una enzima con actividad de fosfatasa que regula negativamente la vía de señales PI3- K/Akt la cual promueve la sobrevida celular. e) MEN1, involucrado en neoplasia endocrina múltiple, caracterizada por tumores 20 • FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r en paratiroides, páncreas e hipófisis. Codifica para la proteína menina, que participa en la regulación de la expresión mediada por el proto-oncogén Jun-D y en la represión del gen de la telomerasa, indispensable para la inmortalización celular. Cáncer: un proceso con varias etapas Dado que por lo general la probabilidad de aparición de un cáncer aumenta en forma exponencial con la edad, diversos estudios epidemiológicos y moleculares indican que esta enfermedad se debe a la acumulación de diversos eventos genéticos, comúnmente entre seis y diez, excepto para los cánceres pediátricos. Analizando biopsias de colon en distintos estadíos tumorales, el grupo de B. Vogelstein estableció un diagrama de las alteraciones más comunes acumulables temporalmente en función al desarrollo tumoral. Se observa que los estadíos tempranos se caracterizan por la pérdida de diversas regiones del cromosoma 5, donde se encuentran APC y MCC (Mutado en Carcinoma Colorectal), posteriormente aparecen mutaciones en K-Ras y alteraciones del cromosoma 18, que comprometen a DCC (18q21). Conforme avanza el proceso neoplásico, se observan alteraciones en el cromosoma 17 (donde reside el locus de p53) y en otros cromosomas, posiblemente alterando genes supresores tumorales aún no caracterizados (ver esquema en la Figura 2). Los análisis realizados en otros tejidos muestran resultados análogos comprometiendo a diferentes cromosomas. De esta forma, se observa que las células con mayor número de alteraciones genéticas darán lugar a cánceres más agresivos. Es necesario destacar, que no es importante el orden en el cual aparecen estas mutaciones, si no la acumulación de las mismas. Fig. 2. Acumulación de mutaciones en CCR (modificado de Fearon E.R. and Vogelstein B. Cell 1990, 61:759). Como se mencionó en el capítulo de Oncogenes, no es sufuciente la aparición de alteraciones en genes relacionados con el control de la proliferación y la fidelidad del ADN, si no que además la célula tumoral debe modificar la expresión de ciertos genes para inhibir su proceso de senesencia y evadir al sistema inmune, promover la angiogénesis, adaptarse a un nuevo entorno y eventualmente producir metástasis. El conocimiento cabal de la intrincada red de señales que gobiernan estos procesos permitirá el diseño racional de terapias moleculares más efectivas contra este flagelo que afecta a gran parte de la población humana. • 21 FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r Bibliografía • En internet: www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed, permite acceder a diversos libros de texto (Bookshelf), bases de datos con descripción de genes y las enfermedades en las que están involucrados (OMIM), como a resúmenes de bibliografía científica. • LevineAJ. 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A diferencia de las hormonas polipeptídicas, los GFs pueden actuar como factores: i) autocrinos (o intracrinos): actúan sobre la misma célula que los sintetiza, a través de receptores de superficie o intracelulares; ii) paracrinos: actúan uniéndose a receptores presentes en células próximas a las que los sintetizan y iii) yuxtacrinos: permanecen anclados en la membrana de la célula que los expresa y ejercen su acción biológica uniéndose a receptores presentes en células vecinas. El estado actual del conocimiento de GFs permite clasificarlos en diferentes familias, de acuerdo a las semejanzas en su estructura y a sus propiedades funcionales. A) Factores de crecimiento que se unen a los receptores con actividad de tirosina quinasa tipo I (RTKs-I). Dentro de estos se encuentran los ligandos del receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGF- R/ErbB-1). Esta familia está compuesta por el factor de crecimiento epidérmico (EGF), el factor de transformación tipo α (TGF-α), un EGF capaz de unirse a heparina (Hb- EGF), anfiregulina, betacelulina, cripto-1 y una serie de factores codificados por pox virus, entre los que se encuentran el factor de crecimiento del virus vaccinia, y el del fibroma de Shope. La otra familia de ligandos de los RTKs-I se une a ErbB-3 y ErbB-4 y está formada por las distintas isoformas del Factor de Diferenciación Neu/Heregulinas (HRG). B) Factores de crecimiento semejantes a la insulina tipo I y II (IGF-I, IGF-II) C) Factor de crecimiento de plaquetas (PDGF) D) Factores de crecimiento de fibroblastos (FGF), que comprenden el FGF-1 o ácido, FGF-2 o básico, FGF-3, FGF-4 y FGF-5. E) Factores de transformación tipo β (TGF- β1-5). Receptores de factores de crecimiento con actividad de tirosina quinasa Los receptores con actividad de tirosina quinasa (RTKs) forman una familia numerosa de receptores de membrana a los que se unen la mayoría de los GFs y también una hormona proteica, la insulina. El análisis de la estructura de los RTKs ha revelado que todos poseen un Factores de Crecimiento Patricia V. Elizalde. GENERALIDADES Y CLASIFICACIÓN • 23 FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r dominio extracelular altamente glicosilado donde esta localizado el sitio de unión del ligando (extremo amino-terminal), un dominio hidrofó-bico anclado a la membrana plasmática y un dominio citosólico, en el cual se localiza el sitio catalítico con actividad de tirosina quinasa (extremo carboxi-terminal). Un examen más exhaustivo de la estructura primaria de los RTKs ha revelado la existencia de tres subgrupos. El Grupo I, al cual pertenecen el EGF-R, erbB-2, erbB-3 y erbB-4, posee en su dominio extracitoplasmático dos regiones conservadas (“clusters”) ricas en residuos cisteína. Al grupo II pertenecen el receptor de insulina y el receptor de IGFs tipo I. Estos receptores son tetrámeros formados por dos subunidades α extracelulares en las cuales se localiza el dominio de unión del ligando y que presentan un solo “cluster” de residuos cisteína. La subunidades α están unidas covalentemente por puentes disulfuro con las β, que tienen su extremo amino-terminal extracitoplasmático, atraviesan la membrana plasmática y en su dominio intracelular se localiza la actividad de tirosina-quinasa. El grupo III (PDGF-R) posee 10 residuos de cisteína distribuidos en su dominio extracitoplasmático. Además, en su porción intracelular existe una inserción de 70-100 aminoácidos que separa, en el dominio con actividad de tirosina quinasa, el sitio de unión de ATP de los residuos tirosina que resultan fosforilados por activación del receptor . Mecanismos de Transducción de señales de RTKs El EGF y los otros miembros de su familia de GFs , el PDGF, y el IGF-I se unen a receptores de membrana con actividad de tirosina quinasa (RTK). La cascada de transducción de señales de un receptor con actividad de tirosina quinasa comienza cuando es ocupado por alguno de sus ligandos. Esta ocupación resulta en una al- teración de su conformación tridimensional en la membrana plasmática. Como consecuencia, se produce la dimerización del receptor, que parece ser un paso crítico en la activación de los receptores con actividad de tirosina quinasa. Una particularidad de los RTK tipo I, a los que pertenecen los de la familia ErbB (EGF-R/ ErbB-1, ErbB-2, ErbB-3 y ErbB-4), es que entre ellos pueden formarse homo y heterodímeros. Los componentes de esos dímeros son elegidos por el ligando, y esta propiedad permite a su vez reclutar en forma combinatoria diferentes moléculas de señalización. Se ha demostrado la existencia de por lo menos 10 combinaciones distintas de homo y heterodímeros de la familia ErbB. Sin embargo, esta red de interacciones inter-receptores posee una determinada jerarquía y no un patrón al azar. ErbB-2 parece ser el integrante preferido de los heterodímeros formados con los otros tres integrantes de la familia. En la Figura 1, se muestra el mecanismo de unión de Heregulina a la famila de RTKs tipo I. 24 • FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r que al poseer el dominio SH2 se le asocian directamente. Estas proteínas que asocian al receptor activado con otras moléculas de señalización, pero que carecen ellas mismas de actividad enzimática, se denominan proteínas adapta-doras. En otros casos, como el del receptor de insulina y el receptor de IGFs tipo I, están presentes también proteínas de “docking” (acercamiento). Esa proteína de docking de 185 kDa, denominada IRS-1 (sustrato del receptor de insulina-1) posee 21 sitios potenciales de fosforilación en residuos tirosina, 6 de los cuales están localizados en la secuencia YMXM (Tirosina-Metionina- X-Metionina) que es una secuencia de reconocimiento para las proteínas que poseen el dominio SH2. Dentro de las proteínas adaptadoras involucradas en la cascada de señales de transducción de receptores con actividadde tirosina quinasa, y de una serie de tirosinas quinasas citoplasmáticas, se encuentra una familia de proteínas que se denomina Shc (proteína que contiene dominios con src- Al producirse la dimerización de los RTK inducida por la unión del ligando, la actividad de quinasa de cada monómero del receptor fosforila residuos tirosina localizados en el extremo carboxi-terminal del dominio intracito- plasmático de la molécula de su dímero asociado. A este proceso, se lo denomina autofosforilación. Uno de los descubrimientos más críticos para dilucidar cual es el paso siguiente en el mecanismo de transducción de señales, ha sido la identificación de un dominio llamado SH2 (src-homologia 2) en una serie de proteínas celulares que se han encontrado asociadas a los receptores a través de residuos fosfotirosina presentes en el receptor. A este dominio se lo ha llamado así dada su homología con una secuencia aminoacídica de la proteína citosólica con actividad de tirosina quinasa codificada por el oncogen src: pp60src De esta forma, el receptor fosforilado en tirosina, en el caso de los de la familia de ErbB y del receptor de PDGF (PDGF-R), es reconocido por proteínas Figura 1 • 25 FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r homología 2). La familia Shc está compuesta por tres proteínas de 46, 52, y 66 kDa que poseen un solo dominio SH2 y que carecen de actividad catalítica. Ha sido demostrado que Shc se asocia con y es fosforilada por EGF-R y PDGF-R. No se ha demostrado en cambio una asociación directa de Shc con el receptor de IGFs tipo I ni tampoco se ha descripto asociación entre IRS-1 y Shc. Otra de las proteínas adaptadoras del grupo SH2 es la denominada Grb2 (proteína unida a receptor de factor de crecimiento-2). Grb2 no resulta fosforilada en tirosina por el RTK activado, si no que se une a través de sus dominios SH2 o bien al receptor fosforilado en tirosina, o a IRS-1 o Shc. Esta asociación es la que determina su activación. Grb-2 es una proteína citoplasmá-tica que se asocia, a través de sus dominios SH3 (dominios con src-homología 3, Grb2 posee dos de estos dominios) a otra proteína, un intercambiador de nucleótidos de guanina, llamada Sos. Los dominios SH3 reconocen secuencias aminoacídicas ricas en residuos prolina. La formación del complejo RTK-Grb2-Sos (o bien IRS-1/Grb2/Soso RTK/ Shc/Sos) permite a Sos interactuar a su vez (a) con la proteína p21ras activándola mediante el intercambio de GDP por GTP. La superfamilia de las proteínas p21ras (H-,K-and N-Ras) unen GDP y GTP con alta afinidad, ciclando entre los estados activo e inactivo a través de la unión con GTP o GDP, respectivamente. Poseen a su vez un nivel bajo de actividad intrínseca de GTPasa que puede ser estimulado mas de 100 veces por interacción con la proteína citosólica activadora de GTPasa (GAP). Ciertos efectos inhibitorios de TGF-β, cuyo receptor carece de actividad de tirosina quinasa, están también mediados por activación de ras. El próximo paso en el camino de señales de transducción es la asociación entre p21ras- GTP y la proteína producto del proto-oncogen raf-1. Aún no se ha establecido cómo la formación de este complejo sirve para activar a raf-1, que es una proteína citoplasmática de 72-76 kDa con actividad intrínseca de serina/ treonina quinasa. Sin embargo, evidencias experimentales indican que hay múltiples eventos involucrados en la activación de raf. La translocación de raf-1 inducida por p21ras hacia el plano de la membrana plasmática, posibilita la fosforilación de raf en residuos tirosina por proteínas miembros de la familia Src y también su fosforilación por una variedad de serina/treonina quinasas incluyendo la quinasa activada por p21 (PAK), las proteínas quinasas A y C y Akt. Además, otro mecanismo que regula la activación de raf es la dimerización. A pesar de que originalmente se consideró que las proteínas raf sólo formaban homodímeros, se demostró recientemente que ras puede inducir la heterodimerización de diferentes proteínas raf como raf-1 y B-raf. Raf-1 activa luego una cascada de fosforilación llamada la cascada de MAP quinasas (MAPK, proteínas quinasas activadas por mitógenos). A este camino también se lo llama camino de señalización de ras. La mejor caracterizada de estas quinasas, en el extremo superior de la cascada, se denomina MEK (una quinasa de MAP quinasas). MEK es fosforilada por Raf-1 (probablemente también por otros mecanismos) y una vez activada por fosforila- ción activa a las MAPK, p44 MAPK/ERK1 y p42MAPK /ERK2, a través de una fosforilación dual en residuos tirosina y treonina específicos, localizados en un motivo característico Thr-Glu- Tyr. Se ha demostrado que para una completa actividad enzimática de MAPK, se requiere la completa fosforilación tanto en Thr 183 como en Tyr 185. La fosforilación de las MAPK conduce a su translocación al núcleo donde fosforilan, en residuos serina/treonina, proto-oncogenes tales como c-myc, p62TCF y c- ets, modulando asi la actividad, como factores transcripcionales, de estos oncogenes. Los productos de los protooncogenes nucleares modulan la transcripción a través de la formación de heterodímeros (Myc-MAX, FOS-JUN). La regulación de alguno de los componentes de estos dímeros representa un sitio posible de control tanto de la expresión génica como del ciclo celular por la cascada de MAP quinasas. Se ha descripto recientemente que p42MAPK (Erk2) regula positivamente la transcripción de ciclina D1. Este efecto, está mediado por el factor de transcripción c-Ets-2 y depende de la presencia de un dominio de unión semejante al de Ets en la región proximal del promotor de ciclina D1. La fosforilación FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos 26 • Q uí m ic a M on tp el lie r de p62TCF por MAPK activa la formación de un complejo ternario entre p62TCF y p67TCF en el promotor de c-fos, activando la transcripción de c-fos. Otra particularidad del camino de señales de transducción de GFs , está dada por el hecho de que (dentro) entre (de) las proteínas con el dominio SH2 también se encuentran algunas que a diferencia de las adaptadoras, tienen actividad enzimática. Entre ellas , están la subunidad. regulatoria (p85) de la fosfatidil inositol-3’ quinasa (PI- 3K). Distintas evidencias experimentales han demostrado que la activación de PI-3K es un requisito indispensable en el mecanismo de acción de numerosos GFs. PI-3K consiste en una subunidad regulatoria de 85 kDa, que contiene dominios SH2 y SH3 y una subunidad catalítica de 110 kDa. La interacción de p85 PI- 3K directamente con el receptor fosforilado en tirosina, con proteínas de docking como IRS-1 o con proteínas adaptadoras fosforiladas en tirosina como Shc conduce a la activación de p85 PI-3K que a su vez activa a la subunidad catalítica p110. PI-3K cataliza la fosforilación de fosfoinositoles en la posición 3 del inositol para generar fosfatidilinositol (3,4) bifosfato [PtdIns(3,4)P 2 ] y fosfatidilinositol (3, 4, 5) trifosfato [PtdIns(3,4,5)P 3 ]. Estos lípidos fosforilados por la PI-3K sirven para localizar y activar moléculas involucradas en la transducción de señales, en la vecindad de la membrana plasmática. Estos lípidos fosforilados en la posición 3 no son clivados por la fosfolipasa C (PLC) y, por el contrario, permanecen en la membrana plasmática hasta ser desfosforilados por fosfatasas específicas de fosfoinositoles, denominadas PTEN, que clivan el fosfato en la posición 3 del inositol. Así, la presencia de [PtdIns(3,4,5)P 3 ] resulta en la translocación hacia la membrana plasmática de la quinasa dependiente de fosfatidilinositol- 1 (PDK-1) , que se asocia a estos lípidos a través de su dominio con homología a pleckstrin (PH). El dominio PH fue primero identificado en la proteína plaquetariaPleckstrin. Es un dominio que está presente en unas 200 proteínas humanas, incluyendo Sos. Otra proteína que se transloca a la membrana plasmática por efecto de la presencia de [PtdIns(3,4,5)P 3 ] , es la proteína quinasa denominada Akt o PKB. Akt posee también dominios con PH a través de los cuales se asocia con [PtdIns(3,4,5)P 3 ] en la cara citosólica de la membrana plasmática. Luego de esta asociación se produce un cambio en la conformación de Akt que le permite ser fosforilada en residuos serina/treonina. La fosforilación en treonina 308 en el dominio catalítico y en serina 473 en el dominio carboxilo terminal resulta en la activación de Akt. La fosforilación en treonina 308 es catalizada por PDK-1. Esta fosforilación resulta a su vez en un cambio en la conformación de Akt que luego sería fosforilada en serina 473 por una segunda PDK (PDK2). Se ha demostrado que Akt puede fosforilar una serie de proteínas involucradas en diferentes procesos. Entre las proteínas activadas por Akt se encuentra la proteína blanco de rapamicina en mamíferos (mTOR). A su vez, mTOR fosforila a la proteína de unión del factor de iniciación de la traducción de eucariotas eIF-4E, denominada 4E-BP1. Al resultar fosforilada esta proteína se disocia del eIF-4E , resultando esto en un aumento en la iniciación de la traducción mediada por eIF-4E. Otra proteína fosforilada por mTOR es p70S6K . El efecto de la activación de p70S6Kes el aumento en la biosíntesis de ribosomas, con lo cual se facilita la capacidad de la maquinaria de traducción. Otra de las proteínas fosforiladas por Akt es la proteína BAD, involucrada en el mecanismo de apoptosis. La fosforilación de BAD por Akt resulta en su inactivación, con lo cual el efecto de la activación de Akt es prevenir la muerte celular por apoptosis. • 27 FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r Interacción entre mecanismos de transducción de señales de GFs y hormonas esteroideas. Uno de los campos de investigación mas atractivos de la actualidad es el estudio de la relación entre los mecanismos de señalización de GFs y hormonas esteroideas, particularmente estrogénos y progesterona. Estos estudios cobran importancia en el Cáncer y específícamente en aquellos tipos de tumores cuya proliferación es regulada por hormonas. Evidencias recientes han demostrado la existencia de interacciones (cross-talks) entre los caminos de señalización de los GFs que actúan a través de RTKs y los de las hormonas esteroideas, los que fueron considerados anteriormente como caminos separados. Los miembros de la superfamilia de receptores esteroideos son proteínas altamente fosforiladas que después de la unión con el ligando actúan como factores de transcripción. A pesar de que el rol funcional de la fosforilación de los receptores de estrógenos (ER) y progesterona (PR) , permanece todavía sin dilucidarse, un gran número de evidencias experimentales indican que la fosforilación es requerida para la activación transcripcional de estos receptores. Además, se ha demostrado que la fosforilación es uno de los mecanismos moleculares a través de los cuales converge la señalización de las hormonas esteroideas y de los GFs. La convergencia entre RTKs y hormonas tiene una naturaleza dual, en la cual las hormonas esteroideas activan a los RTKs o a proteínas miembros de sus cascadas de transducción. A su vez, los ligandos de los RTKs son capaces de modular la activación transcripcional de los receptores esteroideos. En la Figura 1, se muestra un esquema comparativo de los mecanismos de acción de RTKs y el receptor de progesterona La activación independiente del ligando del receptor de estrógenos por EGF y por IGF-I ha sido demostrada hace tiempo. Recientemente, se evidenció la capacidad de HRG de transactivar a ER. La activación transcripcional del PR por GFs permanece muy poco estudiada. Se ha indicado que el EGF es capaz de activar a la isoforma A del receptor de PR de pollo (cPRA). Además, el cPR puede activarse en forma de ligando-independiente por moduladores de quinasas y fosfatasas tales como el ácido ocadaico, inhibidor de las proteína- fosfatasas 1 y 2 y por el 8-Br AMPc, activador de la proteína quinasa A (PKA). Nuestros recientes hallazgos han proporcionado la primera evidencia experimental demostrando que HRG activa al receptor de PR murino y humano. Estos estudios han constituído la primera demostración de activación ligando- independiente del PR humano. Así, se describió además que la presencia de ErbB-2 y ErbB-3 funcionales y MAPK (Erk1 y Erk2) activas, es un requisito indispensable en la activación de PR inducida por HRG. Ha sido demostrada la capacidad de las MAPK en fosforilar a los receptores de hormonas esteroideas. Así, desde tiempo se ha reconocido la fosforilación “in vitro” del ER por MAPK. Nuestro grupo ha proporcionado recientemente la primera evidencia experimental que MAPKs activadas por HRG, son capaces de fosforilar “in vitro” al PR humano y murino. Perspectivas Terapéuticas La amplia evidencia experimental que indica la participación de GFs en el desarrollo del Cáncer, ha abierto la posibilidad de uso terapéutico de diferentes estrategias de bloqueo de la función de GFs y de los RTKs. Particularmente en el Cáncer de Mama una serie de estra-tegias dirigidas al bloqueo de los RTKs tipo I, está siendo aplicada con éxito. Así, el Trastuzumab (Herceptin), un anticuerpo monoclonal humanizado anti- ErbB-2, ha sido el primero de esta clase de agentes en ser utilizado a nivel clínico. Se ha observado que aumenta la sobrevida de los pacientes en cuyos tumores esta amplificado ErbB-2. Por otro lado, una serie de moléculas pequeñas que inhiben la actividad de tirosina quinasa de los receptores han demostrado ser bien toleradas en las dosis que inhiben “in vivo” la función de los RTKs. Esos agentes (ZD1839, OSI-774, EKB-569, GW- 2016, CI-1033), son activos en modelos pre- clínicos de Cáncer de Mama, y se encuentran 28 • FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r en curso protocolos clínicos en Fase II. Una serie de miembros de la cascada de señalización de los RTKs están siendo explorados como blancos para terapia. Estos incluyen, la señalización por MAPK y la vía de PI-3K/Akt/mTOR. Se han observado respuestas clínicas en Cáncer de Mama con agentes anti- ras (BMS-214662, R115777) y con inhibidores de mTOR (CCI-779). Inhibidores de raf (BAY 43-9006) y de MEK (CI-1040) también están sido explorados. Una de las conclusiones más interesantes obtenidas del estudio de los GFs en el proceso de transformación maligna, es que el bloqueo de un solo blanco molecular no resultará probablemente (el) en la reversión del fenotipo maligno, dado que éste es el resultado de la acumulación de múltiples alteraciones genotípicas y fenotípicas. Por lo tanto, la identificación de varios mecanismos moleculares que participen en la proliferación de las células malignas, y en consecuencia el diseño de una terapia individualizada resultante de la combinación de drogas bloqueantes de los diferentes blancos, sería la futura alternativa terapéutica del Cáncer. Bibliografía • Boguski MS, Mc Cormick F. Proteins regulating Ras and its relatives Nature 366:643-653, 1993. • Blenis J. Signal transduction via the MAP kinases: Proceed at your own RSK. Proc Natl Acad Sci USA 90: 5889-5892, 1993 • Bunone, G., P. A. Briand, R. J. Miksicek, and D. Picard. 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La zona anterior, ubicada por encima del quiasma óptico, contiene dos núcleos importantes: el supra-óptico y el paraventricular, desde los cuales parten los axones que terminan en la neuro-hipófisis, constituyendo el haz hipotálamo-hipofisario. En la porción media se encuentran 3 núcleos de importancia: ventromedial, dorsomedial y arcuato, los que proyectan sus axones hacia capilares de la eminencia media. Esta región de la eminencia media, es una zona de gran importancia ya que en ella nace el tallo hipofisario. La zona posterior, esta constituida por los núcleos de la amígdala, los cuales se desconoce en gran parte que papel juegan en la regulación neuroendocrina. La hipófisis humana esta constituida por dos porciones embriológicamente diferentes: adenohipófisis y neurohipófisis. La primera, se origina en una evaginación de la bolsa de Rathke en el ectodermo bucal y la neurohipófisis de una evaginación del suelo del tercer ventrículo del ectodermo neural. NEUROENDOCRINOLOGIA Unidad Hipotálamo Hipofisaria Pablo Scacchi El sistema neuroendocrino, tiene su centro principal en la región hipotálamo-hipofisaria. Figura 1 30 • FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r La adenohipófisis a su vez esta constituida por tres porciones: distal (anterior), tuberal (que rodea al tallo hipofisario) y la porción intermedia. Entre las porciones distal y tuberal se constituye el lóbulo anterior. La porción intermedia se encuentra entre el lóbulo anterior y la neurohipófisis. La neurohipófisis, esta dividida por tres porciones: a) nerviosa, b) infundibular y eminencia media. Estas tres porciones son de estructura nerviosa. Desde la eminencia media, situada en la base del hipotálamo, se continúa la porción infundibular la que se amplía a la porción nerviosa, que constituye la glándula propiamente dicha. Se puede considerar que la neurohipófisis es una prolongación hacia la silla turca del hipotálamo. nerviosas que finalizan en la porción nerviosa de la neurohipófisis en la proximidad de capilares, en forma de terminaciones neurohemales. De esta manera las hormonas neurohipofisarias se originan en el hipotálamo anterior y por el tracto hipotálamo hipofisario llegan a la neurohipófisis y la terminal axónica vuelca su contenido a los vasos capilares. Las relaciones vasculares entre el sistema nervioso y la hipófisis, conforman lo que se conoce como sistema portal hipotálamo- hipofisario. La irrigación de ambas estructuras es suministrada por la carótida a través de las arterias hipofisarias superior e inferior. La arteria hipofisaria superior se ramifica en un plexo primario en la región de la eminencia media y desde allí se resume en unos 10 a 15 vasos venosos que transitan por el tallo hipofisario y al llegar al lóbulo anterior se vuelve a ramificar en un nuevo plexo capilar (secundario). A esta red vascular se la conoce como “Sistema Portal Largo” (Figura 2). La arteria hipofisaria inferior, se dirige hacia la neurohipófisis y en la porción nerviosa, se ramifica en un plexo capilar primario, que se reunifica en pocos vasos, que dirigiéndose hacia delante, llegan al lóbulo anterior, donde nuevamente se capilariza en una red secundaria. A esta circulación se la conoce como “Sistema Portal Corto” La circulación del Sistema Portal Largo es de plexo primario (eminencia media) a plexo secundario (adenohipofisis). Por su parte, el Sistema Portal Corto circula de la neurohipófisis a la adenohipófisis. Es de hacer notar que el Sistema Portal Largo, es la principal vía de regulación de la adenohipófisis. Su interrupción, provoca una desconexión funcional de la adenohipófisis; sin embargo, esta interrupción vascular no produce la necrosis de la glándula (por falta de circulación nutricia) ya que la nutrición hipofisaria no proviene de este circuito vascular. Las neuronas hipotalámicas dirigen sus axones hacia los capilares primarios de la eminencia media, donde vuelcan su secreción, la cual por los vasos largos llegan a la adenohipófisis, regulando la secreción de sus hormonas. Interconexiones entre hipotálamo e hipofisis Entre el hipotálamo y la hipófisis se establecen relaciones nerviosas y vasculares. En el hipotálamo anterior desde los núcleos supraóptico y paraventricular parten fibras Figura 2 • 31 FISIOPATOLOGIA ENDOCRINA: Bioquímica y Métodos Diagnósticos Q uí m ic a M on tp el lie r El hipotálamo, recibe numerosas conexiones nerviosas desde muy
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