RB, CDKs

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EL CICLO CELULAR: RETINOBLASTOMA, CDKs Y CÁNCER


Introducción al ciclo celular

El ciclo celular es el proceso por el que las células duplican el material genómico y lo reparten entre dos células hijas. La división celular es un proceso necesario que en caso del cáncer se encuentra descontrolado.

Al finalizar el ciclo celular se generan dos células hijas que deben heredar exactamente la mitad del genoma duplicado.

La fase de la mitosis (fase en la cual obtenemos dos células hijas a partir de una célula madre) se subdivide en distintas fases: en profase se produce la condensación del material genético formándose los cromosomas y la migración de dos pares de centriolos hacia extremos opuestos de la célula. La pro-metafase se caracteriza por desorganización de la envoltura nuclear y organización del huso mitótico. Ya en metafase, el huso mitótico, se une a los cromosomas por el centrómero formando la placa ecuatorial (o metafásica). Los microtúbulos del huso separan los centrosomas longitudinalmente, en anafase, lo que da lugar a la separación de las cromátidas hermanas, que se dirigen a polos opuestos. Por último, en telofase se reconstituye la cromatina, aparece el nucléolo, y tiene lugar la citoquinesis (estrangulación del citoplasma)

Las células en estado quiescente (G0) tienen dos dotaciones cromosómicas (dotación 2n). Estas células suponen aproximadamente el 90% de las células del organismo. Cuando se estimulan las células quiescentes con factores de crecimiento muchas de ellas comienzan a dividirse. Cuando una célula recibe señales para dividirse entra en una fase de preparación o G1, en la cual, básicamente, se prepara para dividir el genoma y crece en tamaño. En la fase S la célula replica el ADN, originando dos genomas idénticos (dotación 4n). Después, la célula entra en fase G2, en la que se prepara para dividir el genoma entre dos células hijas. Esto ocurre en el proceso de mitosis, en la que finalmente la célula se escinde por estrangulamiento para generar dos células hijas (dotación 2n). El ciclo celular es un proceso altamente regulado debido a su importancia. Durante la progresión de las células por el ciclo existen unos puntos de control (o checkpoints) que comprobarán que la célula ha realizado los procesos necesarios para continuar con su división y así puede avanzar por el ciclo. El primer punto de control se encuentra la barrera entre G1 y S. Una vez pasado este control la célula podrá progresar sin responder a señales mitogénicas. El segundo punto de control valora el daño en el ADN y, este punto se encuentra en la fase S y antes de la entrada en mitosis. Si hubiera alteraciones en la célula se pararía el ciclo de forma temporal o permanente (dependiendo del daño).

La entrada en el ciclo celular depende del nivel de nutrientes y factores de crecimiento existentes alrededor de la célula. Es un proceso muy controlado que implica a complejos moleculares formados por unas proteínas reguladoras, (ciclinas) y unas quinasas denominadas dependientes de ciclinas (Cdk). La transición G1/S es un momento crítico en el control del ciclo y en el control de la carcinogénesis. Para que se produzca esta transición hace falta que se origine una situación de inactivación de una proteína esencial que bloquea la transición, la proteína del retinoblastoma (Rb).

En las células no proliferantes, el ciclo celular se encuentra inactivo porque la proteína p16 codificada por el gen supresor INK4a se une a la quinasa Cdk4 y bloquea la unión a la ciclina D (CycD) que actúa como reguladora. A su vez, la proteína del retinoblastoma Rb en su forma hipofosforilada (activa) se une e inactiva al factor de transcripción E2F que se activa. E2F gobierna la transcripción de genes que son esenciales para la transición G1/S.

Cuando se induce activación de la proliferación celular se inactiva p16, lo que permite que se forme el complejo activo CycD1-Cdk4, que produce la hiperfosforilación de la proteína del retinoblastoma, y esto libera al factor de transcripción E2F, que se activa y dispara la transcripción de genes responsables de la transición G1/S, como CycE2 y Cdk2.

Esta regulación positiva de entrada en el ciclo tiene su contrapartida en la regulación negativa. Si una célula entra en ciclo pero no puede dividirse, por ejemplo células con inhibición por contacto, se sobreexpresan inhibidores tales como p27, que inactivan el mecanismo incluso si hay señales mitogénicas.

De modo simplificado se puede decir que este proceso depende de tres grupos de proteínas:

  1. Represión constitutiva: proteínas que provocan una represión constitutiva en células quiescentes (Rb y sus homólogos p107 y p130)
  2. Progresión: responden a señales mitogénicas promoviendo el avance del ciclo: ciclinas y Cdks (quinasas dependiente de ciclina).
  3. Frenos: los inhibidores de las Cdks, que paran el proceso en condiciones adversas. A su vez, existen inhibidores de ellos.

En cáncer humano ocurren alteraciones de moléculas de todos estos grupos.

Retinoblastoma

El retinoblastoma es un tipo de tumor en humanos con especial incidencia en niños. Se correlaciona con la deleción de una banda en el cromosoma 13, en la que se encuentra el gen Rb, que los niños heredan de uno de los padres.

Este proceso dio origen a la hipótesis del doble hit de Knudson, o de los dos eventos: para la generación de una célula tumoral es necesario heredar una mutación en un gen supresor y adquirir una segunda mutación somática en el otro alelo durante la vida.

Existen tres proteínas de la familia (pRb, p107 y p130). La mayoría de los tumores tienen mutaciones en Rb. La proteína Rb interacciona con más de 120 proteínas. No sólo impide que factores de transcripción como E2F induzcan genes que codifican proteínas necesarias para replicación y mitosis, sino que también interacciona con muchos factores de transcripción específicos de diferenciación de tejidos, como MyoD, etc. Además, también es capaz de modular la apoptosis mediante diferentes efectores, y la ruta de p53.

Modelos animales donde se elimina el gen Rb en un alelo o los dos, demuestran que Rb no sólo está alterado en cáncer, sino que tiene un papel causal en este proceso.

Complejos CyC/Cdk

Estos complejos se activan al expresarse las correspondientes ciclinas. La ciclina D se expresa cuando las células reciben señales mitogénicas, originándose lo que se denomina “oleadas de expresión” de las siguientes ciclinas: ciclina E, ciclina A y ciclina B, lo que produce la activación de la correspondiente Cdk a la que regula. Existen diversas ciclinas y Cdks, entre las que destacan por su importante papel las ciclinas E y D, y las Cdk4 y 6. Los complejos Cdk4/6-Ciclina D son especialmente importantes, pues son sensores de las señales mitogénicas, y disparan el proceso.

Las Cdk tienen importancia en terapia, como posibles dianas susceptibles de ser inhibidas por drogas. Todas la quinasas tienen una estructura similar, con una cabeza N-terminal y un cuerpo C-terminal, situándose la actividad quinasa en el cuello que une ambas partes. Cuando las ciclinas se unen a las Cdk, se produce un cambio estructural que permite que el ATP se una al centro catalítico.

Las alteraciones más frecuentes en las ciclinas, relacionadas con cáncer son: translocaciones, integraciones retrovirales y amplificaciones.

Las CdK como oncogenes no son muy habituales ya que es difícil encontrarlas mutadas, si bien hay casos recogidos en la literatura.

Inhibidores de CdKs

Varios genes supresores de tumores codifican proteínas que inactivan los complejos ciclinas/Cdks. Se engloban en dos familias: INK4 (p16, p15, p14ARF y p18) y Cip/Kip (p21 y p27) con modo de acción diferente.

  • Familia INK4: las proteínas INK4 actúan sobre las quinasas Cdks, modificando su estructura e impidiendo que puedan unir ciclinas.
  • Familia Cip/Kip: no se unen a la Cdk sino a los complejos Cdk/Ciclina, alterando la estructura tanto de la quinasa como de la ciclina.

Datos de inmunohistoquímica demuestran que las células que no se están dividiendo expresan proteína p27, mientras que las que proliferan son positivas para un factor denominado Ki67. p27 es importante en diagnóstico y pronóstico, ya que marca el nivel de proliferación de los tumores.

P53 y puntos de control

La proteína p53 cuida que las divisiones celulares sean adecuadas, actuando en los distintos puntos de control. En la inmensa mayoría de los tumores existen mutaciones en la ruta de p53.

Mitosis

En metafase, las cromátidas se colocan juntas en la placa metafísica. La correcta alineación de las cromátidas en la placa es necesaria para una correcta distribución del material genético. Los cromosomas duplicados se condensan juntos y unidos por la cohesina. La cohesina se tiene que degradar para permitir que las dos cromátidas se separen. La quinasa Plk1 (Polo quinasa) fosforila la cohesina para que ésta se degrade y las cromátidas sean fácilmente separables. Pero PLK1 no consigue fosforilar la cohesina que une los centromeros debido a que en estos lugares se acumula un conjunto de proteínas que dan lugar al cinetocoro. Para impedir que los cromosomas sean separados antes de la correcta alineación de las cromatidas en la placa metafísica Mad2 se localiza en el cinetocoro, regulando la union de los microtúbulos. Mad2 reconoce cuando el cromosoma se ha unido a los microtúbulos en la posición adecuada, y se degrada y desaparece cuando lo ha hecho. Las proteínas que intervienen en la degradación final de la cohesina centromerica son la securina y la separasa, que es una proteasa. Para que la degradación ocurra sólo en el momento adecuado, la separasa está inactiva, al encontrarse unida a securina. Otra quinasa con un papel importante en mitosis es Aurora, que junto con Polo están siendo ampliamente investigadas como dianas de intervención farmacológica.

La consecuencia de que este proceso no transcurra de manera normal es la generación de células hijas aneuploides, lo que provoca sobreexpresión de oncogenes, etc., y otros tipos de efectos relacionados con la aparición de muchos tipos de tumores (inestabilidad cromosómica).