5 - Ciclo Celular e carcinogênese (1)

Prévia do material em texto

Ciclo Celular e Carcinogênese
Prof. Dr. Diego Aguiar
Centro Universitário Estadual da Zona Oeste
Secretaria de Ciência Tecnologia e Inovação
Estado do Rio de Janeiro
Definição: 
Ciclo celular é o conjunto de processos que se passam numa célula viva entre duas divisões celulares. 
O ciclo celular consiste na interfase e na fase mitótica, que inclui a mitose e a divisão celular (citocinese).
Ciclo Celular
Tempo de Cada Fase do Ciclo Celular
Fases do Ciclo Celular
Interfase
	A vida de uma célula começa no momento em que a divisão celular que a originou acaba e termina quando ela mesma se divide ou morre.
	A interfase corresponde ao período entre o final de uma divisão celular e o início da outra. Geralmente a célula encontra-se nesta fase durante a maior parte da sua vida.
	Durante esta fase os cromossomas não são visíveis ao microscópio óptico. 
Interfase
S
G2
G1
A intérfase divide-se em três fases:
Fase G1
	Nesta fase sintetizam-se muitas proteínas, enzimas e RNA, verifica-se também a formação de organelas celulares e, consequentemente, a célula cresce.
Fase S
	Nesta fase que ocorre a auto-replicação das moléculas de DNA (diz-se no plural porque para cada cromossomo existe uma molécula de DNA). A partir deste momento os cromossomos passam a possuir dois cromatídeos ligados por um centrómero.
Fase G2
	Neste período dá-se a síntese de moléculas necessárias à divisão celular (como os centríolos).
Mitose
	A mitose é um processo contínuo de divisão celular, que podemos dividi-la em fases: 
PRÓFASE, METÁFASE, ANÁFASE e TELÓFASE 
 Alguns autores costumam citar uma quinta fase – a Prometáfase – intermediária entre a prófase e a metáfase. O final da mitose, com a separação do citoplasma, é chamado de Citocinese.
Prófase
Os cromossomos começam a ficar visíveis devido à espiralação.
O nucléolo começa a desaparecer.
Organiza-se em torno do núcleo um conjunto de fibras (nada mais são do que microtúbulos) originadas a partir dos centrossomos, constituindo o chamado fuso de divisão (ou fuso mitótico).
O núcleo absorve água, aumenta de volume e a carioteca se desorganiza.
No final da prófase, curtas fibras do fuso, provenientes do centrossomos, unem-se aos centrômeros. Cada uma das cromátides-irmãs fica ligada a um dos pólos da célula.
Obs: Note que os centrossomos ainda estão alinhados na região equatorial da célula, o que faz alguns autores designarem essa fase de prometáfase.
Embora os centríolos participem da divisão, não é deles que se originam as fibras do fuso. 
A formação de um novo par de centríolos é iniciada na fase G1, continua na fase S e na fase G2 a duplicação é completada. No entanto, os dois pares de centríolos permanecem reunidos no mesmo centrossomo. Ao iniciar a prófase, o centrossomo parte-se em dois e cada par de centríolos começa a dirigir-se para pólos opostos da célula que irá entrar em divisão.
7
Prófase
Metáfase
Os cromossomos atingem o máximo em espiralação, encurtam e se localizam na região equatorial da célula.
No finalzinho da metáfase e início da anáfase ocorre a duplicação dos centrômeros.
Anáfase
As fibras do fuso começam a encurtar. Em consequência, cada lote de cromossomos-irmãos é puxado para os pólos opostos da célula.
Como cada cromátide passa a ser um novo cromossomo, pode-se considerar que a célula fica temporariamente tetraplóide.
Telófase
Os cromossomos iniciam o processo de desespirilação.
Os nucléolos reaparecem nos novos núcleos celulares.
A carioteca se reorganiza em cada núcleo-filho.
Cada dupla de centríolos já se encontra no local definitivo nas futuras células-filhas.
Citocinese
Estrangulação e partida em duas (citocinese centrípeta)  Gera a distribuição de organelas pelas duas células-irmãs
12
Estapas da Proliferação Celular
Estímulo mitogênico: ligação do fator de crescimento-receptor
Ativação do receptor de fator de crescimento  ativa proteínas transdutoras de sinal
Transmissão do sinal pelas proteínas de transdução de sinal para o núcleo 
Indução e ativação de fatores de transcrição  iniciam trasncrição DNA
Progressão G1-S  divisão celular
Ciclo celular normal e pontos de checagem:
Os eventos do ciclo celular ocorrem em uma ordem fixa
Deve ativar enzimas no tempo correto e desativá-las logo após o término do processo
Deve assegurar que cada estágio do ciclo tenha terminado antes de iniciar o próximo
13
Fosforilação Proteica Regula e Passagem por etapas do Ciclo Celular 
Positiva
Negativa
Progressão
Estagnação
Controle------Regulação 
Etapas de vida da célula – Questões relevantes
G1 (Gap 1), S (Síntese), G2 (Gap 2), M (Mitose ou Meiose)
G1 S G2 M
O que, por que, como, quando ?
E se der errado?
Como parar ou acelerar?
Considerando a proporção temporal
Caminhos da célula durante a divisão celular
Fosforilação Proteica Regula e Passagem por etapas do Ciclo Celular 
Quais são elas?
Quinases de proteínas heterodiméricas  Aumentam ou diminuem com a fase do ciclo celular 
Ciclinas
As subunidades catalíticas se chamam: 
Cdk 
(Ciclinas dependentes de quinase)
Controle do Ciclo Celular
Proteíno-quinases: ativadas ciclicamente → fosforilação → transferência de um grupo fosfato do ATP → aa na proteína alvo 		 (treonina, serina) 
Ciclinas: varia de concentração de maneira cíclica durante o ciclo celular (↑ intérfase e ↓ mitose) → não possuem atividade enzimática por si. função: ativar as Cdk.
Quinases dependentes de ciclinas: (Cdk) → são ativadas após fosforilação pelas ciclinas → conduzem o ciclo celular pela fosforilação de proteínas alvo para progressão das células no ciclo celular
Regulação das Cdk pela degradação das Ciclinas
Ciclina D
Cdk4
Ciclina D-Cdk4
Cdk2
Ciclina A
Ciclina A-Cdk2
As ciclinas  Os reguladores positivos
G1
S
G2
M
Ciclina D1
Ciclina E
Ciclina A
Ciclina B
Ciclinas A,B
Ciclina H
As ciclinas  Os reguladores positivos
Proteínas Inibidoras de Cdk 
	Se algum estágio do ciclo celular for retardado o sistema controle atrasa a ativação do estágio seguinte → ação de proteínas que podem parar o ciclo celular nos pontos de checagem → inibidores de Cdk) bloqueiam a montagem ou atividade dos complexos de Ciclina-Cdk.
Famílias Cip/Kip: p21, p27 e p57 e INK4/ARF : p16 e p14 
	Ponto de checagem G1: regulado pela proteína p53 → estimula a transcrição de um gene responsável por uma proteína inibidora de Cdk → p21 → liga-se ao complexo ciclina-Cdk de fase S → bloqueando sua ação.
As CDKs são reguladores positivos
G1
S
G2
M
Ciclina D1
Ciclina E
Ciclina A
Ciclina B
Ciclinas A,B
Ciclina H
CDK7
CDK1 e 2
CDK 1
CDK2
CDK4 e 6
CDK1 e 2
As CDKs são reguladores positivos
A p53 bloqueia o Ciclo Celular
24
Decisões no Ponto de Checagem G1
Parar ou Continuar divisão: diferente da pausa em G1-S para acertos da célula como reparo.
A célula pode progredir para completar um outro ciclo celular.
Pode parar temporariamente até atingir condições corretas ou retirar-se do ciclo totalmente e entrar em G0 (dias, semanas ou anos): 
Ex.: 
Células nervosas e músculo esquelético não sofrem divisão → Entram em G0 → desaparecimento de Cdk e Ciclinas.
Células hepáticas: Sofrem divisão uma vez a cada 1-2 anos
Células epiteliais do intestino: Dividem-se mais de 2 vezes por dia
Após G1: Avança ciclo celular rápido: 12-24horas
Proliferação Celular: Fatores de Crescimento
Sinal químico estimulador → Fator de Crescimento
Ligam-se a receptores específicos da membrana celular → estimulam o crescimento e divisão celular
Ex: 
PDGF, FGF, 
EGF e HGF
Proliferação Celular: controlada, cada célula sofre divisão apenas quando necessário → Crescimento ou reposição.
Proliferação Celular Estimulada pelos Fatores de Crescimento
Proliferação Celular Normal x Descontrolada (Oncogene)
Oque causa Câncer ?
 Hereditariedade 
 Inflamações Crônicas
 Causas ambientais
 ????
From http://www.cancersupportivecare.com/riskintro.html
CANCER:
“A multicausal, multistage group of diseases the mechanisms of which are still only partially known” (IARC Scientific Publications, 1992)
“Cancer is a group of diseases characterized by uncontrolled growth and spread of abnormal cells […] that can result in death” (American Cancer Society, 2006)
Age adjusted Cancer Death Rates, by Site, US, 1930-2002
Benigno  Não é câncer. Apesar de haver um crescimento celular, há um aumento de volume moderado, entretanto a célula não invade os tecidos vizinhos e nem migra para nenhuma outra parte do corpo.
Maligno  As células cancerígenas dividem-se sem controle, invadindo e destruindo os tecidos adjacentes e existe uma grande chance de migrarem para outras partes do corpo. 
Avaliação Histopatológicas do Câncer - OMS
Metástase  Células que migram apartir da massa tumoral para outras partes do corpo. 
Noções básicas:
Initiating
Event
Cell Proliferation
(clonal expansion)
Progression
Cell Proliferation
Cell Proliferation
Malignancy
Second Mutating Event
"N" Mutating Event
Initiation
Promotion
Estágio da Carcinogênese
Base Molecular do Câncer
Hereditariedade?
Modificações epigenética  Alteram a transcrição e tradução de proteínas em três grande etapas. 
Modificações Estruturais em Genes Ligados a Epigenética Hereditária
SAM
SAH
DNMT1
DNMT3a
DNMT3b
Methylation of DNA
Modifications of histones
RNA-mediated modifications
RNA-directed DNA methylation
RNA-mediated chromatin remodeling
RNAi, siRNA, miRNA …
A
Me
P
U
- acetylation
- methylation
- phosphorylation
 - ubiquitination
P
U
Me
A
N
Basophilic Focus
Adenoma
Carcinoma
M
1
M
N
Promotion
Regression
Progression
Adaptado de Marsman and Popp. Carcinogenesis 15:111-117 (1994)
No Tumors
Tumors
= Application of Promoter
Mutações gênicas
Desregulação do ciclo celular
Proliferação celular descontrolada
 Câncer
 Oncogenes
 Genes supressores de tumor
Genes de reparo do DNA
Base Molecular do Câncer
Mutações Gênicas e Câncer
Genes que controlam o ciclo celular e apoptose
 Proto-oncogenes : ativação do ciclo celular 
Proliferação celular
 Genes supressores: bloqueio do ciclo celular: perda de função 
 Proliferação celular
Genes de reparo do DNA: 
Mutações em genes celulares (oncogenes e genes supressores)
Instabilidade Genômica
37
Classes de Genes Associados com o Câncer
Décadas 70-80: estudo citogenético em tumores sólidos  identificação de cromossomos e regiões cromossômicas  diferentes alterações
Perda:
	 Deleção
	 Monossomia
Ganho: 
	Duplicação, Amplificação 	Trissomia, Poliploidia
Relocação: 
	 Translocação
	 Inversão
	 Inserção
t(9;22): LMC
t(8;14): Linfoma de Burkitt
t(11;22): sarcoma de Ewing
t(3;8): adenoma pleomorfo
Bandiamento G
Lesões que Retardam o Ciclo Celular
Danos DNA
Bloqueio do 
ciclo celular
(Checkpoint)
Reparo do DNA
Apoptose
Proteína ATM
Identifica lesão no DNA
Sinal p/ p53 → Ativar Genes Reparo DNA
Esquema Geral para Mecanismos de Oncogênese
 Mutação ou perda de genes supressores tumorais.
 Ativação de genes anti-apoptóticos ou perda de genes pró-apoptóticos.
 Câncer “Stem Cell”.
Esquema Geral para Mecanismos de Oncogênese
O Que São Oncogenes?
Proto-oncogene: genes promotores do crescimento e diferenciação celulares  contraparte normal de um oncogene (sem mutação).
Mutação Dominante  Ganho de função
Oncogene: Genes mutados cuja expressão alterada estimula a proliferação celular de forma anormal.	
Oncogene
Quais são as funções dos produtos dos oncogenes?
Fatores de crescimento
Receptores
Transdutores de sinais
Fatores de transcrição
Componentes da maquinaria que coordenam o ciclo celular e estimulam a proliferação celular 
Oncogenes Frequentemente Alteram a Função das Vias dos Fatores de Crescimento
Fatores de crescimento: super produção  crescimento continuado. Ex.: TGF-a, 
PDGF, HGF, FGF.
Receptores: mutação ou amplificação de genes que codificam receptores aumenta a sinalização. Ex.: ErbB-1,2, c-MET.
Transdução de sinal: mutações em genes que codificam mensageiros secundários.
Ex.: Ras, Raf, ABL  induz ativação constitutiva e promove o crescimento. 
Fatores de transcrição : mutação induz ativação constante de genes imediatos e crescimento celular.
Ex.: Jun, Fos, c-MYC
Como os Oncogenes Tornam-se Ativados e Causam Câncer em Células Humanas? 
Mutação de Ponto: proteína estrutural e 	funcionalmente aberrante.
Aberrações Cromossômicas (Rearranjos 	Cromossômicos): proteína quimérica ou 	expressão elevada.
Amplificação Gênica: super expressão de 	proteína estruturalmente normal.
Inserção de DNA viral: inserção de oncogenes-virais.
Mutação de Ponto: Oncogene H-ras
Mutação do aminoácido 12: glicina  valina (câncer bexiga, mama, cólon)  Causa mudança na conformação da proteína ras que não pode converter GTP  GDP, que permanece ativado induzindo a proliferação celular  progressão para o câncer
Oncoproteína bloqueada: Sinal permanece ligado  Ativa continuamente a quinase seguinte
GDP
Ras inativa
GTP
Ras ativa
x
Modelo de Ação Do Gene Ras
Rearranjos Cromossômicos
Espressão desregulada de proto-oncogenes
Translocação
cromossômica 
Leucemia mielóide crônica: t(9;22)(q34;q11)  proteína quimérica (truncada) abl/bcr  atividade de quinase aumentada.
Rearranjos Cromossômicos
Linfoma de Burkitt:
t(8;14): gene c-myc é ativado  expressado em níveis elevados  contribue para o câncer
Amplificação
Aumento do número de cópias (dezenas-centenas de vezes) de oncogenes (erros de replicação do DNA): c-Myc, Her-2/Neu, CCND1.
Double minutes (DM): DNA circular extracromossômico.
Regiões Homogeneamente Coradas (HSR): intracromossômico
Genes Supressores de Tumor
Regulam negativamente o crescimento celular e desenvolvimento do tumor quando mutados ou deletados o controle do ciclo celular é perdido. 
Padrão Recessivo  Perda de Função 
Experimentos com fusão celular: 
Células normais x células tumorais  Células tumorais híbridas voltam ao estado normal.
Funções Bioquímicas dos Genes Supressores de Tumor
Produção de moléculas de superfície: 
Proteínas transmembranas  transmissão de sinais negativos  Inibição por contato: DCC (inibição por contato)
Moléculas que regulam a transdução de sinais: enzimas que impedem a fosforilação das proteínas da membrana relacionadas com a emissão de sinais para o núcleo: NF1 (inativa ras)
Moléculas que regulam a transcrição nuclear: p53 e RB 
Retinoblastoma – RB – 13q14
Primeiro gene supressor de tumor descoberto  tumor de retina
Atuam recessivamente: ambas as cópias devem ser perdidas para a perda da função celular
Teoria de Knudson: “Dois Eventos de Mutação” 
Primeiro alelo herdado com mutação (1o. Evento) 
Alelo normal perdido ou mutado na infância (2o. Evento)  Células da retina
Perda de Heterozigose (LOH): perda do alelo (frequentemente por deleção ou monossomia)
RB: controla a entrada do ciclo celular  Regula o ponto de restrição G1  S
Ação do produto do gene RB1
Ação do produto do gene RB1
Gene Tp53 – Guardião do Genoma
TP53 : (17p13) segundo principal gene supressor de tumor descoberto.
Mutado em ~ 50 % dos tumores humanos.
Mutagênese aumentada: quando a célula perde TP53 ela também perde o controle do ciclo celular que é necessário para reparo do DNA lesado  Aumento de células com mutações.
Perda da apoptose: importante ativador da morte celular programada  Muitas células falham em entrar em apoptose em resposta a lesões no DNA. 
célula normal
lesão do DNA
Bloqueio em G1
APOPTOSE
REPARO DO DNA
p53
p53
Ativação da transcrição
Gene Tp53 – Guardião do Genoma
Papeldo Tp53 e Integridade do Genoma
 Câncer Hereditário Causado Por Mutações em Genes Supressores 
Polipose adenomatosa do cólon (FAP): APC (5q21)
Câncer hereditário cólon não-poliposo (HNPCC): MSH2, MLH1 (2p16, 3p21)
Câncer de mama e ovário: BRCA1 (17q21)
Câncer de mama de início precoce: BRCA2 (13q12)
Síndrome de Li-Fraumeni: TP53 (17p13)
Retinoblastoma: RB1 (13q14)
Ataxia telangiectasia: ATM (11q22)
Tumor de Wilms: tumor renal – WT1 (11p13)
Mutação da linhagem germinativa
5-10% tumores sólidos
Tumores múltiplos e bilaterais
Início precoce
p = braço curto, q = braço longo
Câncer de Mama
 20% mulheres até 50 anos e ~10% até 80 anos.
 Prevalência (EUA): 180.000 casos novos/ano e 46.000 óbitos/ano
 5-10% - forma hereditária da doença
 Início precoce (pré-menopausa) e bilateral
 Associado a risco elevado de câncer de ovário
Metade: mutações em BRCA1 (17q21) e BRCA2 (13q12-13)  BRCA1 e BRCA2  Proteínas nucleares
 Abundantes na fase S do ciclo celular: Reparo de quebras duplas (reparo recombinacional)
 BRCA1 ou BRCA2 defeituosos  Desenvolvimento de câncer de mama ou ovário.
O Câncer Desenvolve por Evolução Clonal
1. Iniciação: Alteração genética de uma célula (mutação)  Vantagem de crescimento ou sobrevivência
2. Promoção do tumor: Agentes como hormônios ou trauma, ou mudanças que aumentam a evolução clonal, estimulam o crescimento celular.
Desenvolve de uma única célula alterada (cerca de 10 ou mais mutações  Seleção)
 3. Evolução Clonal: Base para o desenvolvimento do câncer (anos). Evolução continuada de mais células malignas que crescem ou sobrevivem melhor  desenvolvimento e progressão tumoral. 
 4. Progressão tumoral: Desenvolvimento do câncer requer pequenos múltiplos passos (mutação e seleção). Cada passo confere a célula uma vantagem adicional de sobrevivência ou crescimento (necessidade reduzida para fatores de crescimento ou resistência a apoptose).
O Câncer Desenvolve por Evolução Clonal
Câncer de Cólon Desenvolve por Progressão de Múltiplos Passos
APC
K-Ras
TP53, DCC
Iniciação: pode ser causada por carcinógenos da dieta (nitrosaminas)  Mutação de APC
Células iniciadas: Vantagem proIiferativa: uma via de fator de crescimento pode ser constantemente ligada por mutação no gene K-Ras  células crescem sobre as vizinhas (hiperplasia  adenoma) 
Mutações adicionais: Seleção de células com vantagem proliferativa e de sobrevivência: inativação do gene TP53  permite uma taxa mais rápida de mutagênese (adenoma inicial  adenoma tardio)
Outra mutação converte adenoma em carcinoma: mutação na produção de proteases  invasão de outros tecidos. 
Ex. -18 (DCC), -17 e outros cromossomos
Nature Reviews 
Clinical Oncology: Outubro, 2016