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Oncogenes, genes supressores de tumores, microRNAs e o desenvolvimento de tumores Oncogenes, tumor supressor genes, microRNA and tumor development Rodrigo Serrano, Thérèse Rachell Theodoro, Maria Aparecida da Silva Pinhal. Disciplina de Bioquímica da Faculdade de Medicina do ABC. RBM Jul 14 V 71 n esp a2 Especial Oncologia págs.: 4-10 Indexado LILACS LLXP: S0034-72642014018100001 Unitermos: transformação neoplásica, mecanismos celulares, oncogenes, microRNA. Unterms: neoplastic transformation, cellular mechanisms, oncogenes, microRNA. Sumário O câncer é um processo invasivo decorrente da transformação celular que ocorre em resposta a distúrbios genéticos provocados por mutações ou amplificações de alguns genes que codificam para proteínas capazes de controlar a proliferação e divisão celular, tais genes mutados são chamados oncogenes. Os genes normais (não alterados) constituintes do genoma são denominados proto-oncogenes. Neste artigo serão discutidos os mecanismos moleculares que estão envolvidos com a transformação de proto-oncogenes em oncogenes. A ação de microRNA no controle da expressão gênica representa um mecanismo essencial no controle de várias proteínas envolvidas com a carcinogênese, como consequência este tema também será abordado. Finalmente, será descrito o papel essencial que os genes supressores de tumores ou genes supressores da proliferação celular (antioncogenes) desempenham no controle do desenvolvimento do câncer. O melhor entendimento dos mecanismos celulares envolvidos na carcinogênese são essenciais para descobertas de novas moléculas que poderão servir como biomarcadores de diagnóstico e/ou prognóstico do câncer, além de poderem auxiliar significativamente para a descoberta de futuras terapias antitumorais. Sumary Cancer is an invasive process arising from cellular transformation that occurs in response to disturbances caused by genetic mutations or amplification of some genes that encode proteins involved in the control of cell division and proliferation, such mutated genes are named oncogenes. Normal genes (without alterations) constituents of the genome are named proto-oncogenes. In this article we discuss the molecular mechanisms involved in the transformation of proto- oncogenes to oncogenes. The action of microRNA controling gene expression represent a key mechanism in the control of several proteins involved in carcinogenesis, consequently, this issue will also be addressed. Finally it will be described the critical role that tumor suppressor genes or cell proliferation suppressor genes (anti-oncogenes) play in the control of cancer development. A better understanding of the cellular mechanisms involved in carcinogenesis are essential for the discovery of new molecules that might be used as molecular biomarkers for diagnosis and/or prognosis of cancer, besides they could help significantly in the discovery of future anti-tumor therapies. Resumo O câncer é um processo invasivo decorrente da transformação celular que ocorre em resposta a distúrbios genéticos provocados por mutações ou amplificações de alguns genes que codificam para proteínas capazes de controlar a proliferação e divisão celular, tais genes mutados são chamados oncogenes. Os genes normais (não alterados) constituintes do genoma são denominados proto-oncogenes. Neste artigo serão discutidos os mecanismos moleculares que estão envolvidos com a transformação de proto-oncogenes em oncogenes. A ação de microRNA no controle da expressão gênica representa um mecanismo essencial no controle de várias proteínas envolvidas com a carcinogênese, como consequência este tema também será abordado. Finalmente, será descrito o papel essencial que os genes supressores de tumores ou genes supressores da proliferação celular (antioncogenes) desempenham no controle do desenvolvimento do câncer. O melhor entendimento dos mecanismos celulares envolvidos na carcinogênese são essenciais para descobertas de novas moléculas que poderão servir como biomarcadores de diagnóstico e/ou prognóstico do câncer, além de poderem auxiliar significativamente para a descoberta de futuras terapias antitumorais. Introdução O câncer está entre as principais causas de morte no mundo, resultando em 8,2 milhões de mortes no ano de 2012. Os índices de mortalidade por câncer mais elevados estão relacionados com o câncer de pulmão, mama, colorretal e próstata1. As células tumorais são resultado de uma série de mutações, sendo que dentre elas podemos citar apoptose diminuída, diferenciação celular reduzida (mais frequente nos tumores malignos), angiogênese aumentada, produção de fatores de crescimento, menor dependência de fatores de crescimento externos, aumento na secreção de proteases, menor inibição celular por densidade populacional em cultura, menor interação célula-célula e célula-matriz extracelular. Tabela 1 - Genes envolvidos na transformação neoplásica Os tumores podem ser divididos em dois grandes grupos: benignos e malignos. Sabe-se que o tumor benigno possui células bem diferenciadas (muitas vezes semelhantes as do tecido original), respeita os tecidos adjacentes não os invadindo, crescem lentamente e o principal aspecto é que não geram metástases. Já os tumores malignos apresentam células indiferenciadas, de rápido crescimento, invadem os tecidos circundantes e podem gerar metástases, sendo assim de difícil tratamento. Podemos destacar entre os fatores de risco importantes relacionados com o desenvolvimento do câncer tabagismo, radiação ionizante, vírus, alimentação e predisposição genética2. Portanto, podemos destacar que agentes químicos, físicos e vírus compreendem as principais causas de alterações genéticas que acarretam o desenvolvimento de tumores. Figura 1 - Mecanismos de geração de oncogenes. Adaptada de http://bio1151.nicerweb.com/Locked/media/ch18/proto-oncogene.html A pesquisa constante de moléculas-alvo para novas alternativas de tratamento, diagnóstico e prognóstico do câncer conduziram a descobertas dos oncogenes, genes supressores de tumores e genes de reparo do DNA envolvidos diretamente com a carcinogênese, como mostra a Tabela 1. Proto-oncogenes representam genes constituintes do genoma humano, que apresentam diversasfunções biológicas relacionadas com processos de proliferação, diferenciação e sobrevivência celular. Mutações nos proto-oncogenes geram oncogenes. Os oncogenes podem ser gerados por mutações espontâneas, ação de retrovírus, amplificação gênica ou translocação de segmentos de específicos de DNA do genoma (Figura 1) e, assim, são capazes de gerarem proteínas defeituosas, denominadas oncoproteínas, que perdem suas funções naturais. As oncoproteínas podem apresentar diferentes funções como receptores do tipo tirosina-quinase, fatores de crescimento, proteínas envolvidas no processo de morte celular programada (apoptose), fatores de transcrição, enzimas de reparo do DNA, ciclinas e proteínas que participam de mecanismos específicos de sinalização celular (transdução). Genes supressores de tumores compreendem uma série de proteínas relacionadas com o controle de mecanismos de proliferação celular e/ou apoptose, consequentemente estão diretamente envolvidos com o controle do desenvolvimento de tumores. MicroRNAs são moléculas de RNA pequenas, de em média 22 nucleotídeos, que são sintetizados no núcleo das células eucarióticas e possuem a função de controlar a expressão gênica por interferir nos mecanismos de tradução. Neste artigo serão discutidos os mecanismos relacionados com a geração de oncogenes, alteração da função de genes supressores de tumores, bem como a participação de microRNAs no desenvolvimento de tumores. A compreensão de tais processos celulares certamente auxilia no entendimento dos mecanismos celulares essenciais para o desenvolvimento do câncer e, desta forma, fica mais fácil compreender a vasta possibilidade de novas abordagens terapêuticas para o tratamento do câncer, o que atualmente denominamos oncologia molecular. Mecanismos de transformação neoplásica mediados por oncogenes Existem quatro mecanismos moleculares que promovem a transformação de genes endógenos "normais", denominados proto-oncogenes, em genes que participam de processos carcinogênicos (oncogenes). O mecanismo mais conhecido se dá por ação de retrovírus (vírus de RNA). Entretanto, além da inserção de sequências de retrovírus, mutações espontâneas, amplificação gênica e translocações do DNA também participam da transformação de proto-oncogenes em oncogenes. A seguir serão discutidos tais processos moleculares envolvidos com a geração de oncogenes. Ação de retrovírus Os retrovírus ao infectar células eucarióticas promovem a transcrição reversa do seu material genético (RNA) em DNA por ação da enzima transcriptase reversa viral. O DNA complementar gerado, que compreende uma cópia do genoma viral pode ser incorporado ao DNA genômico e permanecer como uma sequência não codificante ou tal sequência poderá ser transcrita e traduzida por maquinaria da célula eucariótica e, assim, gerar novas partículas virais. No processo de formação de novas partículas de retrovírus o material genético poderá conter segmentos do genoma da célula eucariótica hospedeira. Se tal segmento gênico corresponde codifica para uma proteína responsável por mecanismos celulares envolvido na transformação neoplásica, quando tais retrovírus infectarem uma nova célula hospedeira ocorrerá a superexpressão de tal proteína. A situação se torna mais grave quando tal proteína se encontra alterada por perda de uma sequência específica, o que gera o descontrole da função de tal proteína e, assim, são geradas as oncoproteínas que diretamente estão relacionadas com a geração de tumores. Oncoproteínas podem representar receptores de fatores de crescimento, proteínas que participam da sinalização celular, proteínas que regulam mecanismos de morte celular, proteínas que participam de mecanismos de verificação do DNA após a replicação e vários outros processos celulares que desencadeiam descontrole de proliferação, crescimento, adesão e migração das células propiciando o desenvolvimento de tumores. A Figura 2 demonstra a expressão de proto-oncogenes relacionados com a geração de proteínas com atividade biológica preservada, portanto não há o desenvolvimento de tumores. Entretanto, uma alteração do genoma como, por exemplo, a inserção de um segmento viral produz um oncogene que pode gerar uma oncoproteína inativa por ação de supressores de tumores. Os supressores de tumores têm como função inibir a atividade de oncoproteínas, impedindo o desenvolvimento de tumores (Figura 2). Finalmente, quando uma oncoproteína é gerada e não sofre o controle de supressores de tumores ocorre o desenvolvimento tumoral, como mostra a Figura 2. Figura 2 - Transformação de proto-oncogenes em oncogenes por inserção de segmentos gênicos de retrovírus. A expressão de oncogenes produz oncoproteínas que podem ser inativadas por supressores de tumores. Adaptado de Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings. Mutações espontâneas Mutações espontâneas causadas por agentes carcinogênicos, como radiação ultravioleta, ação de radioisótopos, agentes químicos contidos em alimentos, fertilizantes e inseticidas, podem causar mutações do DNA e gerar oncogenes que participam da transformação neoplásica. Os oncogenes serão traduzidos a oncoproteínas específicas. Tais oncoproteínas que participam de mecanismos celulares como proliferação celular, diferenciação celular, migração celular, adesão celular, transdução de sinais, controle de transcrição de genes, mecanismos de apoptose, mecanismos de reparo do DNA, entre outros. Porém, as oncoproteínas desempenham funções celulares alteradas, quando comparadas com as funções de proto-oncoproteínas ou proteínas sintetizadas a partir de proto-oncogenes. Assim, as células que expressam oncoproteínas em geral apresentam uma das seguintes características: perda do controle da proliferação celular, alteração dos mecanismos de controle da apoptose e alteração no padrão de adesão e migração celular. Tais alterações desencadeiam a transformação de células não neoplásicas em células tumorais. Amplificação gênica A amplificação de genes específicos também pode gerar oncoproteínas. Um exemplo típico de amplificação gênica é a amplificação de receptores da família EGF (Epithelial Groth Factor). Especificamente HER2 ou ErbB2, um dos quatro membros da família de receptores de EGF, quando altamenteexpresso é uma das causas do desenvolvimento de tumores de mama que apresentam um fenótipo mais agressivo, com maior potencial metastático, pior prognóstico e maior resistência para tratamentos convencionais3. Portanto, a amplificação de vários genes pode intensificar a geração de tumores mais agressivos, outros exemplos são amplificações dos genes c-myc, L-myc, N-myc, entre outros. É importante ressaltar que a amplificação gênica não gera proteínas mutadas, simplesmente o aumento da expressão de determinadas proteínas geram oncoproteínas com potencial carcinogênico, como exemplificado anteriormente. Mecanismos de translocação do DNA A translocação de segmentos de DNA em células eucarióticas é um mecanismo comum. Entretanto, quando ocorrem translocações de regiões específicas do DNA que representam segmentos gênicos codificantes ou acarretam a inserção de segmentos não codificantes em sequências gênicas, tais translocações promovem alterações na expressão de determinados genes e geram oncoproteínas. As translocações de regiões codificantes do DNA podem gerar oncogenes e, consequentemente, oncoproteínas induzindo a transformação neoplásica. Além dos oncogenes, existem outros fatores que estão envolvidos com os mecanismos de transformação neoplásica, como, exemplo, os efeitos de microRNAs e a inativação de genes supressores de tumores. A seguir será discutido como moléculas de RNA (microRNA) e a inibição de genes supressores de tumores estão diretamente relacionados com o desenvolvimento do câncer. MicroRNA e a transformação neoplásica As moléculas de microRNAs, sintetizadas endogenamente no núcleo das células eucarióticas podem controlar a expressão de proteínas importantes relacionadas com processos celulares importantes do desenvolvimento de tumores, inibindo ou modulando a transcrição gênica. Consequentemente, a ausência de determinadas moléculas de microRNAs específicos ou a diminuição na produção de tais moléculas pode acarretar expressão aumentada de determinada proteína. Caso tal proteína seja uma proteína com função biológica importante, como, por exemplo, uma proteína que funcione como receptor para fator de crescimento, receptor de VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor). A superexpressão de tal proteína poderá acarretar um aumento da proliferação celular e auxiliar no desenvolvimento de tumores. Em 1993 foi descoberto o primeiro microRNA em um nematodo da espécie C.elegans. Em 2000, Reinhart e colaboradores descobriram uma sequência pequena de RNA relacionada com o controle do desenvolvimento do C. elegans, sendo demonstrado que tais moléculas de microRNAs se conservavam ao longo da evolução, participando do controle temporal do desenvolvimento do organismo4,5. Atualmente, é estabelecido que o microRNA possui complementaridade com o RNA mensageiro (mRNA), sendo capaz de modular a tradução de tal molécula de mRNA 6. Ainda, também, está demonstrado que os microRNAs modulam a síntese de proteínas essenciais para o desenvolvimento de tumores. Portanto, os microRNAs representam papel importante nos processos de carcinogênese e podem servir como moléculas-alvo para o desenvolvimento de novas terapias antitumorais. Esta bem estabelecido que a expressão de microRNAs se encontra alterada em células tumorais, comparativamente com células não neoplásicas7. É importante lembrar que a expressão de microRNAs é tecido específica 8. A avaliação da presença de microRNAs pode ser investigada em tecidos fixados e também no plasma sanguíneo 9,10. Os microRNAs são sequências pequenas de nucleotídeos não codificantes que reconhecem mRNA específicos. Os mRNAs que servem como alvo de microRNAs em geral estão relacionados com a expressão de genes frequentemente associados à carcinogênese, que participam do controle de proliferação celular, migração e adesão celular e apoptose 11. Recentemente tem sido utilizada a administração de microRNAs que alvejam genes específicos, sendo uma possível alternativa para inativação de proteínas envolvidas na carcinogênese, como exemplo no câncer de pulmão, hepatite B e infarto do miocárdio 12-15. A Figura 3 mostra que a síntese do microRNA começa no núcleo pela transcrição, realizada pela RNA polimerase II ou RNA polimerase III, gerando microRNAs primordiais. Ainda no núcleo o complexo enzimático RNAse III Drosha cliva o microRNA primordial em microRNAs primários, um pouco menores. Esses microRNAs primários são transportados pela exportina-5 para o citoplasma, onde são clivados pela enzima RNAse Dicer que reconhece sequências nucleotídicas do microRNA e promove a quebra de nucleotídeos, gerando sequências duplas de microRNA que apresentam em média 22 nucleotídeos. Tal sequência nucleotídica gerada pela DICER é reconhecida pelo complexo proteico RISC (RNA-induced silencing complex). O complexo RISC reconhece a sequência nucleotídica gerada por DICER e promove a degradação de uma das fitas do microRNA e a outra fica permanece complexada à RISC. A fita de microRNA que permanece associada ao complexo RISC servirá para direcionar o pareamento com fitas de RNA mensageiro específicas (mRNA). Assim, o complexo RISC associado à fita única de microRNA promoverá o pareamento com o mRNA, promovendo o silenciamento específico de tal molécula mRNA. O reconhecimento da fita simples de microRNA pelo complexo RISC permitirá a complementação entre tal fita de microRNA com uma molécula de mRNA, inativando uma molécula específica de mRNA exercendo por silenciamento, causando, assim, a regulação da expressão de uma molécula de mRNA específica. O mecanismo de ação do microRNA se dá por ligação à região 3' não traduzida (3'UTR) do mRNA inibindo a tradução desse mRNA16, como mostra a Figura 3. O controle da expressão gênica pós-transcripcional mediado por microRNA depende do grau de complementaridade entre o microRNA com seu alvo mRNA17. Caso exista alta associação entre as sequências do microRNA e mRNA ocorrerá clivagem da molécula de mRNA, entretanto pode ocorrer uma complementação parcial entre tais moléculas inativando a expressão do mRNA específico sem promover sua degradação. Esse processo de identificação do microRNA com a molécula de mRNA específica envolve uma das subunidadesdo complexo RISC, denominada Argonauta (Figura 3). Independentemente do mecanismo de ação do microRNA é consenso que esta molécula modula negativamente a expressão de proteínas. Assim, a influência do microRNA na carcinogênese se dá pela descontrole de mecanismos que regulam a expressão de proteínas. Cumpre ser observado que a expressão de um microRNA pode inativar um gene supressor de tumor ou de um gene relacionado com uma proteína que apresenta como função regular mecanismos de proliferação celular, apoptose, diferenciação celular e, deste modo, estão diretamente relacionados com o desenvolvimento de tumores. Um exemplo são os microRNAs (miR-15a e miR-16), presentes em células linfoides, que inibem a expressão do gene BCL-2 que, por sua vez, está diretamente relacionado com o controle da apoptose. Portanto, a inativação da expressão de BCL-2 pode ocasionar linfoma 18,19. Figura 3 - Síntese de microRNAs e mecanismo de inibição da tradução baseado na complementaridade do microRNA com o mRNA. Ago - porção Argonauta do complexo RISC. Adaptado de Cuellar and McManus, 2005. Figura 4 - MicroRNAs atuando como oncogenes na geração de câncer. Adaptado de http://lifesciencearticlesforyou.blogspot.com.br/ Outro exemplo é o microRNA miR-155micro, descoberto por Costinean que é responsável por inativar o gene bic (B-cell Integration Cluster), encontrado em níveis reduzidos na maioria dos linfomas, e aumentados nas formas mais agressivas detumores20,21. Até o momento não se sabe exatamente a função do gene bic, porém foi demonstrado que o controle exógeno da expressão do miR155 in vivo foi capaz de diminuir a proliferação de célula tumorais, infecções virais e atenuar a progressão de sintomas e doenças cardiovasculares 22-24. Os microRNAs podem ser considerados oncogenes quando inativam a ação de genes supressores de tumores ou quando ocorre a perda de um microRNA que seja essencial para o controle da expressão de uma oncoproteína (Figura 4). Genes supressores de tumores e o desenvolvimento de tumores Genes supressores de tumores compreendem um conjunto de genes que produzem proteínas que modulam negativamente a transformação neoplásica. Existem centenas de genes supressores conhecidos, porém, a cada dia novos genes supressores são descobertos, bem como os mecanismos celulares mediados por ação de tais genes. Para exemplificar a ação de um gene supressor de tumor vamos citar a ação do gene rb. O gene rb codifica para a proteína Rb que possui como função controlar os mecanismos de transcrição gênica, modulando mecanismos de replicação, ciclo celular, apoptose, entre outros. Durante a fase G1 do ciclo celular em eucariotos ocorre intensa transcrição e, portanto, a ação de Rb é diminuída em função de uma fosforilação sítio específica mediada pelo complexo ciclina e quinase dependente de ciclina. Por outro lado, quando a célula está em G0, a proteína Rb se encontra ativa e não fosforilada. Desse modo podemos concluir que Rb é controlada por mecanismos de fosforilação. Os genes supressores de tumores podem ser inativados por ação de proteínas específicas produzidas por alguns tipos de vírus de DNA. Tais proteínas virais são denominadas proteínas da fase precoce (Early) ou da fase tardia (Late) e são sintetizadas apenas por vírus de DNA que causam câncer. Os vírus de DNA, como adenovírus, vírus da hepatite C, SV40, vírus do papiloma humano, sintetizam as proteínas capazes de inativar genes supressores de tumore,s como exemplo Rb e assim contribuem para o desenvolvimento de tumores. Considerações finais O presente artigo evidencia mecanismos moleculares que elucidam a participação de oncogenes, de microRNAs e de genes supressores de tumores na carcinogênese. A elucidação dos mecanismos moleculares de ação de tais moléculas são essenciais não apenas para a compreensão dos processos celulares, mas também possibilitam o desenvolvimento de novas moléculas que podem servir como marcadores tumorais para o melhor diagnóstico e prognóstico das neoplasias, bem como auxiliam na descoberta de futuras terapias anti-tumorais que podem utilizar tais moléculas carcinogênicas como alvo.
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