Universidad Nacional Universidad Nacional Autónoma de MéxicoAutónoma de México

Curso Genética y Biología Molecular (1630)

Licenciatura

Químico Farmacéutico Biológico

Facultad de Química

Dra. Herminia Loza TaveraProfesora Titular de Carrera

Departamento de BioquímicaLab 105, Edif E

5622-5280hlozat@unam.mx

VIII. REGULACIÓN DE LA VIII. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICAEXPRESIÓN GENÉTICA

• Objetivo generalObjetivo general– El alumno identificará los diferentes

mecanismos que operan en la regulación de la expresión genética en procariontes y eucariontes

Objetivos del tema

VIII. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA

El alumno... Conoci-miento

Compren-sión

Aplica-ción

3. Regulación del ciclo celular y cáncer

4.1. Conocerá los diferentes tipos de proteínas que ejercen funciones anti-proliferativas cuya mutación provoca la aparición de células malignas.

X

4.2. Distinguirá entre proteínas supresoras de proliferación y proteínas promotoras de proliferación y su relación con el cáncer.

X

4.3. Comprenderá el mecanismo por el que la acumulación de mutaciones hace a las células propensas a proliferación desregulada.

X

4.4. Conocerá sobre la capacidad celular de percibir daño a su material genético, o bien señales erróneas de proliferación y la decisión de promover mecanismos de muerte celular.

X

Ciclo celular y cáncerCiclo celular y cáncer

MitogenosHormonasFactores de crecimiento

Falta de nutrientesRadiación UVInfección viralEstrés térmico

DESBALANCE = TRANSFORMACION CELULARDESBALANCE = TRANSFORMACION CELULAR

Los tejidos de un organismo multicelular mantienen su tamaño Los tejidos de un organismo multicelular mantienen su tamaño gracias a una estricta regulación de ciclo celular y apoptosis gracias a una estricta regulación de ciclo celular y apoptosis

acorde a las señales extracelulares e intracelulares que acorde a las señales extracelulares e intracelulares que perciben las célulasperciben las células

CáncerCáncer• El cáncer es un conjunto

de enfermedades en las que el organismo produce un exceso de células malignas, las cuales tienen un índice de crecimiento y división más allá de los límites normales

• Potencialmente, cualquier célula puede llegar a ser cancerosa.

Cáncer = desbalance entre división celular y muerteCáncer = desbalance entre división celular y muerte

Tumores benignos y malignosTumores benignos y malignos• Tumor benigno: las células permanecen en su sitio de origen y no

se diseminan a otro tejidos. Se eliminan fácilmente por cirugía. Por ejemplo una verruga

• Tumor maligno: es capaz de invadir otros tejidos. Su tratamiento es muy complicado

Metástasis: invasión a otros tejidos

Clasificación del cáncer, dependiendo Clasificación del cáncer, dependiendo del tipo celulardel tipo celular

• Carcinoma: células epiteliales (90% de los conocidos)

• Sarcoma: células de tejido conectivo (músculo, hueso o cualquier tejido fibroso)

• Leucemia y linfoma: el primero es en células de la sangre y el segundo en células del sistema inmune (8% en humanos)

Fases de Fases de desarrollo del desarrollo del

cáncercáncer• Iniciación: mutación

en una o varias células, ciclo celular alterado

• Progresión: mutaciones adicionales que brindan ventaja selectiva a la célula, selección clonalselección clonal

El cáncer es el resultado de la El cáncer es el resultado de la acumulación de anormalidades en acumulación de anormalidades en

una célula una célula

Factores que promueven el Factores que promueven el desarrollo del cáncerdesarrollo del cáncer

• AmbientalesAmbientales- químicos: ésteres de forbol,

asbestos, hormonas esteroideas

- físicos: rayos UV, X o gamma- biológicos: virus (retrovirus,

papiloma) y bacterias (Helicobacter pylori)

• GenéticosGenéticos- mutaciones en genes que

regulan el ciclo celularPara que una célula se Para que una célula se

transforme (se haga transforme (se haga cancerosa) es necesaria la cancerosa) es necesaria la combinación de dos o más combinación de dos o más de estos factoresde estos factores

• Agentes iniciadores:

generan daño a

nivel de DNA

• Agentes promotores:

inducen división celular

Características de las células Características de las células cancerosascancerosas

• No sufren inhibición por contacto• Producen sus propios factores de crecimiento:

estimulación de crecimiento autócrina• Producen menos moléculas de adhesión en su

superficie (esto promueve la metástasis) • Secretan proteasas que rompen la matriz extracelular de

tejidos adyacentes y les permiten colonizarlos• Secretan factores de crecimiento que promueven la

generación de vasos sanguíneos a su alrededor (angiogenesis)

• Por lo general fallan en diferenciarse• No presenta apoptosis

Factores genéticosFactores genéticos• Alteraciones en protooncogenes o en

genes supresores de tumores

• Mutaciones más frecuentes:

- puntuales

- amplificación de segmentos de DNA

- translocaciones cromosómicasProtooncogenesProtooncogenes

Genes que pueden convertirse en oncogenesGenes que pueden convertirse en oncogenesLos oncogenes estimulan la proliferación celularLos oncogenes estimulan la proliferación celular

Genes supresores de tumoresGenes supresores de tumoresDetienen la proliferación celularDetienen la proliferación celular

Ciclo Ciclo celularcelular

En organismos unicelulares, el avance en el En organismos unicelulares, el avance en el ciclo celular depende fuertemente del ambienteciclo celular depende fuertemente del ambiente

La frecuencia de división y/o crecimiento depende del tipo celular

• La mayor parte de las células diferenciadas de los organismos pluricelulares permanecen en G0 indefinidamente.

• Las neuronas nunca vuelven a entrar en G1

• Las células cancerosas son incapaces de entrar en G0 y se dividen de manera continua

• Las células embrionarias se dividen cada treinta minutos

Células embrionarias

Los factores de crecimiento Los factores de crecimiento y las hormonas son señales y las hormonas son señales para continuar o detener el para continuar o detener el crecimiento/división celularcrecimiento/división celular

Factor Fuente Actividad

EGF/ Factor de crecimiento epidérmico

Glándula submaxilar

Promueve proliferación de células del mesénquima, glía y epiteliales

Eritropoietina Riñón Promueve proliferación y diferenciación de eritrocitos

TGF / Factor de transformación

Células T y NK Inhibe proliferación de macrófagos y linfocitos

Interleucina 3 Células T activadas

Crecimiento de células hemetopoiéticas progenitoras

Interleucina 12 Células B, macrófagos

Proliferación de células NK

Interferones Macrófagos, neutrófilos

Inducción de síntesis de proteínas de membrana MHC

Factores de crecimiento y citocinas

Ciclinas y CdkCiclinas y CdkLas encargadas del control del ciclo

celular son dos tipos de proteínas:

- ciclinas

- cinasas dependientes de ciclinas (Cdk)

¿Qué es lo que hace que las células transiten a través del ¿Qué es lo que hace que las células transiten a través del ciclo celular?ciclo celular?

Las Cdk fosforilan diferentes proteínas que participan en el ciclo celular.La actividad de las CDKs dependen de su interacción con las ciclinas.

El patrón o tipo de ciclinas presentes en cada fase del ciclo celular es específico.

Las ciclinas Las ciclinas se sintetizan se sintetizan y se degradan y se degradan en las en las diferentes diferentes fases del fases del ciclo celular ciclo celular en las que en las que participanparticipan

Las CDKs se unen con diferentes Las CDKs se unen con diferentes ciclinas a lo largo del ciclo celularciclinas a lo largo del ciclo celular

El ciclo celular progresa solo El ciclo celular progresa solo si las condiciones son las si las condiciones son las

óptimasóptimas

Tipos principales de CiclinasTipos principales de Ciclinas

• Ciclinas G1/S: promueven el crecimento de la célula y la preparan para la replicación de su DNA

• Ciclinas S: son indispensables para la replicación del DNA• Ciclinas M: regulan los eventos de la mitosis• Ciclinas D: determinan si la célula entra o no en G0

Complejos Complejos Ciclina-CdkCiclina-Cdk a lo largo del ciclo a lo largo del ciclo

celularcelular

Regulación de los complejos Regulación de los complejos ciclina/CDKciclina/CDK

Los complejos ciclina/CDK se regulan por cuatro mecanismos:• Asociación de la CDK con su ciclina específica: niveles de

síntesis y degradación de ciclinas• Activación/Inactivación del complejo mediante fosforilación• Transporte• Unión a proteínas inhibitorias

Asociación de la CDK con su ciclina Asociación de la CDK con su ciclina específica: niveles de síntesis y específica: niveles de síntesis y

degradación de ciclinasdegradación de ciclinas• Para que los pasos a través del ciclo

celular sean irreversibles, la ciclina se degrada por un mecanismo de proteólisis dependiente de ubiquitina, las dos más importantes son:

• SCF: actúa en las ciclinas G1 y S

• APC: actúa sobre ciclinas M

Activación del complejo ciclina/Cdk por Activación del complejo ciclina/Cdk por fosforilación fosforilación

• Se fosforila un residuo de treonina en la posición 160 de la Cdk por acción de la enzima CAK (Cdk-activating kinase)

• La ciclina y su correspondiente cinasa se pueden unir pero el complejo no es funcional hasta que es activado por la CAK

Fosforilación inhibitoriaFosforilación inhibitoria • Fosforilación de los residuos de tirosina 15 en levaduras o treonina

14 en vertebrados, dichos aminoácidos se encuentran en el amino terminal de la Cdk

• Proceso catalizado por la cinasa Wee1.

Proteínas que inhiben la actividad de los Proteínas que inhiben la actividad de los complejos Ciclina/CDKcomplejos Ciclina/CDK

• Los complejos Cdk/ciclina también pueden ser regulados por la unión a proteínas inhibidoras llamadas CKIs, en células de mamífero las CKIs principales son:

- Proteínas de la familia CIp/Kip, regulan la interfase G1/S

- Proteínas de la familia Ink4 presentes en el punto de restricción en G1

Ciclinas DCiclinas D

• Responden a factores de crecimiento a través de la vía Ras/Rb/ERK

• Se encargan de proseguir a la fase S.

• Si el factor de crecimiento no está presente, la célula entra en G0

El ciclo celular está estrictamente El ciclo celular está estrictamente regulado en distintos puntosregulado en distintos puntos

• En levaduras, el principal punto de control ocurre en G1 y está definido por señales externas

En mamíferos hay tres puntos de control En mamíferos hay tres puntos de control del ciclo celulardel ciclo celular

1

23

La célula se prepara

El DNA se replicaSe corrigen errores

ProfasePro-metafaseMetafase

AnafaseTelofase

G1/S CHECKPOINT

G1/S, en mamíferos depende de factores G1/S, en mamíferos depende de factores de crecimientode crecimiento

• Si no hay factores de crecimiento la célula permanece en estado quiescente (G0) hasta que haya un estímulo

G2/M y G2/M y ovogenesisovogenesis

Estradiol

Regulación de la Regulación de la replicación del replicación del

DNADNA

Complejo pre-replicativo

S-Cdk/Ciclina A

Inicio Replicación

P

p53 censa el daño al DNAp53 censa el daño al DNA

Si la Si la célula no célula no

puede puede reparar reparar

los los daños, daños,

entra en entra en apoptosisapoptosis

Regulación de la mitosisRegulación de la mitosis

MPF es el regulador maestro de la MPF es el regulador maestro de la mitosismitosis

• MPF (Maturation MPF (Maturation Promoting Factor) Promoting Factor) está formado por la está formado por la Cliclina B y la Cdk2Cliclina B y la Cdk2

Cdk2

Ruptura de la membrana nuclear

Los componentes principales de la membrana nuclear se ven afectados por la actividad del MPF•La membrana nuclear se fragmenta en vesículas•Los poros nucleares se disocian•La lámina nuclear se despolimeriza

M-Cdk regula al complejo que M-Cdk regula al complejo que promueve la separación de las promueve la separación de las

cromátidascromátidas

Las cohesinas unen a las Las cohesinas unen a las dos cromátidas hermanasdos cromátidas hermanas

Transición metafase/anafase

• Degradación de las proteínas Smc1 (cohesina)

• y de la ciclina B

Reensamblaje de la

membrana nuclear

Señales extracelulares

Diferenciación

Apoptosis

G0

Regulación del ciclo celularRegulación del ciclo celular

Factores genéticosFactores genéticos• Alteraciones en protooncogenes o en

genes supresores de tumores

• Mutaciones más frecuentes:

- puntuales

- amplificación de segmentos de DNA

- translocaciones cromosómicasProtooncogenesProtooncogenes

Genes que pueden convertirse en oncogenesGenes que pueden convertirse en oncogenesLos oncogenes estimulan la proliferación celularLos oncogenes estimulan la proliferación celular

Genes supresores de tumoresGenes supresores de tumoresDetienen la proliferación celularDetienen la proliferación celular

Oncogenes vs Genes supresores de tumoresOncogenes vs Genes supresores de tumores

1 mutación súper-activa del oncogen es suficiente

para promover

cáncer

Se requieren 2 mutaciones sobre el gen

supresor para eliminar su actividad y promover

cáncer

Se requieren dos mutaciones sobre el gen supresor de Se requieren dos mutaciones sobre el gen supresor de tumores para eliminar su actividad y promover cáncertumores para eliminar su actividad y promover cáncer

ProtooncogenesProtooncogenes

• En general, estimulan el crecimiento y división celular

• En cáncer, sufren mutaciones de ganancia de función

• A un protooncogen mutado se le llama ONCOGEN

Diferentes formas por las que se Diferentes formas por las que se puede generar un oncogenpuede generar un oncogen

Protooncogenes: Ciclina D1Protooncogenes: Ciclina D1

• De manera normal, promueve la entrada a la fase S

• Relacionado con cáncer de vejiga, de mama, de pulmón y de esófago

• Las mutaciones más frecuentes son de translocación o amplificación

Protooncogenes: Familia génica Protooncogenes: Familia génica RasRas

• Modifica Modifica moléculas que moléculas que intervienen en intervienen en la transducción la transducción de señales de de señales de regulación del regulación del crecimiento y crecimiento y división celulardivisión celular

• Mutados en Mutados en más del 40% más del 40% de los tumores de los tumores humanoshumanos

• Presenta Presenta mutaciones no mutaciones no conservativas conservativas en un solo en un solo aminoácidoaminoácido

Genes Supresores de TumoresGenes Supresores de Tumores• En general, regulan los

puntos de control del ciclo celular o inician el proceso de apoptosis

• Detienen el crecimiento en respuesta a daño a DNA o a señales extracelulares o participan en la reparación de DNA dañado

• En cáncer, sufren mutaciones de pérdida de función

p53p53

• Guardián del genoma• Mutado en más del

50% de los cánceres• Es un factor de

transcripción que reprime o estimula la transcripción de más de 50 genes

• Responde a daño en el DNA, detiene el ciclo celular y estimula la reparación de los daños o estimula la apoptosis si los daños no son reparados

p53p53• Promueve la apoptosis, activa Bax (proapoptótica) y

reprime a Bcl2 (antiapoptótica)

Genes Supresores de TumoresGenes Supresores de TumoresRB1RB1

• Codifica a la proteína de retinoblastoma, pRB. Esta proteína reprime el paso de G1 a S

• Mutado en cáncer de mama, pulmón y vejiga

• El gen mutado es un gen recesivo

BRCA1BRCA1• Las mujeres que

heredan una mutación en este gen tienen 60% más de probabilidad de desarrollar cáncer de mama después de los 50 años, mientras que las que tienen el gen normal tienen sólo un 2% de probabilidad

• Repara genes PTEN, que son supresores de tumores

OncovirusOncovirus

• Virus que promueven el desarrollo de cáncer:- Virus de la hepatitis B (dsDNA) y virus de la

Hepatitis C (ssRNA): carcinoma hepatocelular- Virus de Epstein-Bar (dsDNA): mononucleosis

infecciosa (enfermedad del beso) y diversos tipos de linfoma

- Virus del Papiloma Humano (dsDNA): cáncer cervicouterino

Expresan oncogenes o promueven la expresesión de protooncogenes de la célula hospedera

Virus del Papiloma HumanoVirus del Papiloma Humano

Oncogenes del papilomavirus:Oncogenes del papilomavirus:E7 y E6E7 y E6

Algunas sustancias anti-proliferativasAlgunas sustancias anti-proliferativas

Sustancia Modo de acciónHidroxiurea Inhibidor de la ribonucleótido

reductasa

Análogos de acido fólico (metotrexato)

Inhibidor de la dihidrofolato reductasa (síntesis de DNA)

Análogos de pirimidina (5-fluorouracilo)

Inhibe timidilato sintetasa, se incorpora en RNA

Análogos de purina (6-mercaptopurina)

Inhibición de enzimas para la síntesis de DNA

Colchicina Inhibe el paso de metafase a anafase, actúa sobre las proteínas del huso mitótico

Vinblastina Interacciona con tubulina, interfiere con el huso mitótico

La droga La droga bloquea la vía bloquea la vía del oncogendel oncogen

Tratamiento Tratamiento para leucemiapara leucemia

http://www.nytimes.com/2011/09/13/health/13gene.html?pagewanted=1&_r=1&nl=health&emc=healthupdateema2

An Immune System Trained to Kill Cancer

September 13, 2011

Resumen de cáncer